De boomdraaibank die in het tweede millennium voor Christus verscheen, was het vroegste prototype van de werktuigmachine. Stap tijdens het werken op de adereindhuls aan het onderste uiteinde van het touw, gebruik de elasticiteit van de tak om het werkstuk door het touw te laten draaien, houd de schaal of steenslag als gereedschap vast en beweeg het gereedschap langs de lat om de werkstuk. Middeleeuwse draaibanken met elastische staven gebruikten dit principe nog. Advertentie in het artikel
In de vijftiende eeuw verschenen er, vanwege de noodzaak om klokken en wapens te vervaardigen, draaddraaibanken en tandwielbewerkingsmachines voor horlogemakers, evenals wateraangedreven loopboormachines. Rond 1500 maakte de Italiaan Leonardo da Vinci conceptschetsen van draaibanken, boormachines, draadsnijmachines en inwendige slijpmachines, inclusief nieuwe mechanismen zoals krukken, vliegwielen, nekpunten en lagers. De "Tian Gong Kai Wu", gepubliceerd in de Ming-dynastie in China, bevat ook de structuur van een slijpmachine, die een voetpedaal gebruikt om een ijzeren plaat rond te draaien, en zand en water toevoegt om jade te snijden.
De industriële revolutie van de achttiende eeuw bevorderde de ontwikkeling van werktuigmachines. In 1774 vond de Brit Wilkinson een nauwkeurigere loopboormachine uit. Het volgende jaar gebruikte hij deze vatboormachine om de cilinders uit te boren die voldeden aan de eisen van Watts stoommachine. Om grotere cilinders te kunnen boren, bouwde hij in 1776 een door een waterwiel aangedreven cilinderboormachine, die de ontwikkeling van de stoommachine bevorderde. Sindsdien wordt de werktuigmachine aangedreven door een stoommachine via een bovenliggende as.
In 1797 creëerde de Britse Maudsley een draaibank met een door een schroef aangedreven gereedschapshouder, die gemotoriseerde voeding en draadsnijden kan realiseren, wat een grote verandering is in de structuur van de werktuigmachine. Maudsley staat ook bekend als de "vader van de Britse werktuigmachine-industrie".
In de 19e eeuw verschenen, als gevolg van de promotie van textiel, energie, transportmachines en wapenproductie, verschillende soorten werktuigmachines achter elkaar. In 1817 creëerde de Britse Roberts een portaalschaafmachine; in 1818 maakte de Amerikaan Whitney een horizontale freesmachine; in 1876 maakten de Verenigde Staten een universele cilindrische molen; in 1835 en 1897 vond hij een tandwielfreesmachine en een tandwielvormer uit.
Met de uitvinding van de elektromotor begon de werktuigmachine de elektromotor te gebruiken om centraal aan te drijven, en gebruikte toen op grote schaal de enkele elektrische motoraandrijving. Aan het begin van de twintigste eeuw werden achtereenvolgens coördinatenboormachines en draadslijpmachines gecreëerd om werkstukken, spanmiddelen en draadsnijgereedschappen met grotere precisie te bewerken. Tegelijkertijd zijn er verschillende automatische werktuigmachines, kopieermachines, gecombineerde werktuigmachines en automatische productielijnen ontwikkeld om te voldoen aan de behoeften van massaproductie in industrieën zoals auto's en lagers.
Met de ontwikkeling van elektronische technologie ontwikkelden de Verenigde Staten in 1952 de eerste numeriek bestuurde werktuigmachine; in 1958 ontwikkelde het een bewerkingscentrum dat automatisch van gereedschap kan wisselen voor multiprocesbewerking. Sindsdien heeft de werktuigmachine, met de ontwikkeling en toepassing van elektronische technologie en computertechnologie, aanzienlijke veranderingen ondergaan in aandrijfmethoden, besturingssystemen en structurele functies.