可考证的车轮的发明时间大约在公元前3500年左右的美索不达米亚地区，这个曾被周杰伦写到《爱在西元前》里的两河文明发源地，可能因为其最早出现人类文明的特殊身份，而不乏神秘传说和起源故事，最早以运输为目的的车轮诞生，大约在公元前3200年，主要是美索不达米亚地区用于战争或竞赛的双轮马车。
然而，有记载的人类文明远不能体现车轮历史的悠久，真正的车轮起源可能要从石器时代开始，也就是大约一万五千年至七十五万年前，那时的车轮其实就是一个圆木桩，原始人类用几个木桩并排被放在承载物品的下方以向前滚动，当然这也就出现了当时人们所面临的一个很大的困扰——不能持续稳定的向预期的方向滚动。为了克服这个障碍，人们在之前曾经使用过的轻撬的基础上进行了改良，用一根长棍贯穿于两个圆木桩中央，放在平板之下，前后各一，从而解决了控制推动方向的问题。
但随后人们又发现，这样的结构无法长时间运输货物，因为圆柱形的木桩非常不耐磨，经常会出现裂痕、断裂等情况，在不断的尝试之后，车轮被逐步改为了中间较薄，外沿较厚的造型，同时链接杆也采用了更加接近车轴的样式，让车轮更加稳定耐用。
耐用性问题解决之后，人们开始关注到结构设计上的问题，因为两个木桩之间固定木轴的形式，在转弯的时候会非常尴尬，车轮的结构也因此发生了根本性的进化，车轴不再固定，而是通过中心片和轴孔三者联动，使车轮可以各自转动，这样车辆在转弯的时候，内侧车轮速度更慢，外侧车轮速度更快，以完成转弯。
简单的滚动和转弯虽能满足人们的日常所需，但是就当时的生产发展速度来说，这样的工具效率远达不到大型生产需要，为了节省时间和劳动力，辐条的设计开始出现，车轮也在其诞生的1500年之后，由埃及人首先开始使用由轴孔、轮辐、轮辋组成的车轮，不仅节省了原材料，而且使车轮变得更轻，更便捷。
到了公元1000年前，凯尔特人开始在其双轮马车上使用铁制圈车轮，由于其结实耐用的特质，这种车轮一直被沿用至了公元1802年，一种更细的铁丝轮辐被G.F. Bauer注册为个人专利，这项发明在今天的自行车身上还可以见到。
伴随着铁丝轮辐的出现，另一项伟大的发明由R.W. Thompson在1845年注册为专利，那就是充气轮胎，这项发明在1888年，被英国的一位兽医John Dunlop进行了改良并再次注册为专利，而之后英国的著名体育运动用品品牌DUNLOP也让人们彻底告别了颠簸的时代。
