公元前三千年以前(史前期)，人類已廣泛使用石制和骨制的工具。搬運重物的工具有滾子、撬棒和滑橇等，如古埃及建造金字塔時就已使用這類工具。公元前3500年後不久，古巴比倫的蘇美爾已有了帶輪的車，是在橇板下面裝上輪子而成。
史前期的重要工具有弓形鉆和制陶器用的轉臺。弓形鉆由燧石鉆頭、鉆桿、窩座和弓弦等組成。往復拉動弓便可使鉆桿轉動，用來鉆孔、擴孔和取火。弓形鉆後來又發展成為弓形車床，成為更有效的工具。
埃及第三至第六王朝(約公元前2686～前2181)的早期，開始將牛拉的原始木犁和金屬鐮刀用於農業。銅制工具的制造多用鍛打法。約公元前2500年，歐亞之間地區就曾使用兩輪和四輪的木質馬車。埃及古代墓葬中曾發現公元前1500年前後的兩輪戰車。敘利亞在公元前1200年制造了磨谷子用的手磨。
在建築和裝運物料過程中，已使用了杠桿、繩索滾棒和水平槽等簡單工具。滑輪最早出現於公元前8世紀，亞述人用作城堡上的放箭機構。絞盤最初用在礦井中提取礦砂和從水井中提水。這時，埃及的水鐘、虹吸管、鼓風箱和活塞式唧筒等古代水力機械也得到初步的發展和應用。
公元前六百年至公元四百年的古希臘和古羅馬被稱為古典文化時期。這壹時期在古希臘誕生了壹些著名的哲學家和科學家，他們對古代機械的發展作出了傑出的貢獻。
如學者希羅關於五種簡單機械(杠桿、尖劈、滑輪、輪與軸、螺紋)推動重物的理論，至今仍有意義。這壹時期木工工具有了很大改進，除木工常用的成套工具如斧、弓形鋸、弓形鉆、鏟和鑿外，還發展了球形鉆、能拔鐵釘的羊角錘、伐木用的雙人鋸等。廣泛使用的還有長軸車床和腳踏車床，用來制造家具和車輪輻條。腳踏車床壹直延用到中世紀，為近代車床的發展奠定了基礎。
沖制錢幣也是這壹時期金屬加工方面的壹大成就，是現代成批生產技術的萌芽。但隨著羅馬帝國的滅亡，這種技術失傳了幾百年。
約在公元前壹世紀，古希臘人在手磨的基礎上制成了石磨。這是機械和機器方面的進步。約在同時，古羅馬也發展了驢拉磨和類似的石輪磨。
齒輪系在歐洲最早的應用是裝在戰車用來記錄行車裏程的裏程計上。杠桿原理在機械上的應用此時已較普遍，如用在建築上起吊重物的滑車和復式滑車。馬車和戰車也有了改進。
這時期在古代水力機械方面的發展是，首先擴大了桔橰式提水工具和吊桶式水車的使用範圍；創造了渦形輪和諾斯水磨等新的流體機械，前者靠轉動螺紋形桿，將水由低處提到高處，主要用於羅馬城市的供水，後者用來磨谷物，靠水流推動方葉輪而轉動，其功率不到半馬力。功率較大的有維特魯維亞水磨，水輪靠下沖的水流推動，通過適當選擇大小齒輪的齒數，就可調整水磨的轉速，其功率約三馬力，後來提高到五十馬力，成為當時功率最大的原動機。
利用活塞和氣缸制成的壓力泵和吸水泵，在此時期也有發展。最早出現的是用來滅火的菲羅壓力泵，後來又有了從井中提水的吸水泵和壓力泵，以及羅馬人用於滅火的雙筒柱塞泵。
熱力機械這時主要是作為希臘學者和哲學家們的玩物而出現的。在公元壹世紀，希羅的汽轉球(又叫風神輪)就是壹例。汽轉球下部的蒸鍋盛水，其上用支管連接著壹只空心球。球上有兩支方向相反的切向噴口。當鍋下燒火、球內的水沸騰變成蒸汽噴出時，如產生的噴氣反作用推力足夠大，便會推動球體不斷轉動。汽轉球作為第壹個把蒸汽壓力轉化為機械動力的裝置而聞名於世，它也許是最早應用噴氣反作用原理的裝置。
公元400～1500年時期屬於中世紀，1000年以前為中世紀的前期，1000～1500年為後期，以後的250年為臨近工業革命時期。
中世紀的前期延綿約600年，機械技術的發展因古希臘和羅馬的古典文化處於消沈而陷於長期停頓。後期，隨著農業和手工業的發展，意、法，英等國相繼興辦大學，發展自然科學和人文科學，培養人才，同時又吸取了當時中國、阿拉伯和伊斯蘭帝國的先進科學技術，機械技術開始恢復和發展。
首先在西歐開始用煤冶煉生鐵，制造了大型鑄件。隨著水輪機的發展，已有足夠的動力來帶動用皮革制造的大型風箱，以獲得較高的熔化溫度，鑄造大炮和大鐘的作坊逐漸增多，鑄件重量漸漸增大。在農業方面創造出裝有曲凹面犁板的犁頭，以取代羅馬時代的尖劈犁頭。
這個時期還出現了手搖鉆，其構造表明，曲柄連桿機構的原理已用於機械。加工機械方面出現了大輪盤的車床。12世紀和13世紀後半期，先後出現了裝有繩索擒縱機構的原始鐘和天平式的鐘。天平式的鐘是第壹種實際應用的機械式的鐘，其中裝有時針和秒針，表明時鐘齒輪系有了進壹步的發展，在15世紀的歐洲家庭中已得到較為普遍的應用。
表是公元1500年前開始制造的。重要的改進是用螺旋彈簧代替重物以產生動力，此外還加了棘輪機構。機械式鐘表創造的成功，不僅為現代文明所必需，也推動了精密零件的制造技術。機械式鐘表後來又得到全面改進，如單擺式時鐘取代了原來的天平式時鐘。1676年，英國為格林威治天文臺制作了擺長不同的兩種精密時鐘。這時期的懷表采用雙金屬條，解決了平衡輪的溫度補償問題。
在古代水力機械方面，出現了下沖或上沖式水輪機(水磨)，以及風磨和風輪機。水平下沖式水輪機是由早期水磨改進而成的，到12、13世紀已用作采礦、粉碎、冶煉等作業的動力。這種水輪機經過改進後，於14世紀又發展成為大型上沖式水輪機，用於提升礦石。這壹時期西歐在水力利用方面有很大進展，水輪機作坊迅速增加。
公元1500～1750年，機械技術發展極為迅速。材料方面的進展主要表現在用鋼鐵、特別是用生鐵代替木材制造機器、儀器和工具。同時，為了解決采礦中的運輸問題，在1770年前後，英國發展了馬拉有軌貨車。先是用木軌，後又換成鐵軌。
這壹時期工具機也獲得了不少成就，比如制造出水力輾軋機械和幾種機床，如齒輪切削機床、螺紋車床、小型腳踏砂輪磨床及研磨光學儀器鏡片的拋光機等。水泵在此時期也有了發展，它主要用於解決當時礦井排水和城市供水問題，包括礦井排水泵、正向旋轉泵(1588)和離心泵(1689)等。
這時意大利發明了水壓空氣壓縮機(俗稱水風箱)，它可用作熔煉鋼鐵的鼓風機，以取代舊式的皮老虎。1759年又出現了大型鼓風機。風力機械如風磨的應用也更廣泛，數量增加，僅英國就已有數千臺之多，用於磨粉、泵水和鋸木。
在動力機械方面，1698年，英國的薩弗裏制造的礦井蒸汽水泵，被稱為“礦工之友”，它開創了用蒸汽作功的先河。1705年，英國的紐科門發明大氣式蒸汽機，它雖然很不完善，但卻是第壹臺工作比較可靠的蒸汽機，主要用於提水，功率可達六馬力，這種蒸汽機在1750在前已在歐洲推廣，後來又傳到美國。
這壹時期，在歐洲誕生了工程科學。許多科學家，如牛頓、伽利略、萊布尼茲、玻意耳、胡克等，他們為新科學奠定了多方面的理論基礎。
為了鼓勵創造發明，意大利和英國分別在1474和1561年建立了專利機構。十七世紀60年代還建立了科學學會，如英國皇家學會。英國於1665年開始出版科學報告會文獻，法國約於同時建立了法國科學院。俄、德兩國也分別於1725和1770年建立了俄國科學院和柏林科學院。這些學術機構沖破了當時教會的禁錮展開自由討論，交流學術觀點和實驗結果，因而極大的促進了科學技術以及機械工程的發展。