Ý tưởng về xe tự hành bắt đầu từ những năm giữa thế kỉ 20, lúc đó xe tự hành là một điều viễn tưởng, chỉ những kẻ mơ mộng, thiếu thực tế mới nghĩ như thế. Xe tự hành xuất hiện trong chương trình của Disney từ năm 1958, chương trình diễn tả tương lai của xe tự hành chạy trên đường cao tốc bởi những làn dải màu và những địa chỉ được mã hóa trên thẻ đục lỗ. Mãi đến những năm 1980, khi máy tính và các công nghệ liên quan phát triển mạnh, công nghệ tự hành bắt đầu được hiện thực hóa.
Việc phát triển xe tự hành được chia thành 03 giai đoạn chính như sau:
Giai đoạn 01: Nghiên cứu nền tảng
Từ năm 1980 đến 2003, các trung tâm nghiên cứu tại các trường đại học phát triển mạnh, một số trung tâm kết hợp với các công ty vận tải và công ty ô tô. Có hai hướng nghiên cứu xuất hiện tại thời điểm này.
Hướng thứ nhất là phát triển xe tự hành dựa vào cơ sở hạ tầng cao tốc để dẫn đường nhờ vào các miếng nam châm và tương tác với các xe khác. Đây cũng là công nghệ được sử dụng cho các AGV vận chuyển hàng trong kho xưởng ngày nay. Cuộc biểu diễn đầu tiên diễn ra vào năm 1997 trên cao tốc I-15 bang California, gần San Diego do Các đối tác California về Vận chuyển và Đường cao tốc Tiên tiến (PATH) thực hiện. Và quãng đường đi được chỉ là 7,6 dặm.
Hướng thứ hai ít phụ thuộc hơn hướng thứ nhất hoặc dường như là không phụ thuộc vào hệ thống đường cao tốc. Hướng này tập trung vào xe tự hành hoàn toàn và bán hoàn toàn. Đầu những năm 1980, xe phát triển bởi nhóm của Ernst Dickmanns tại Đại học Bundeswehr Munich ở Đức đã đạt tốc độ lên đến 100 km/h trong điều kiện không có các phương tiện giao thông khác. Năm 1995 Navlab 5 của Đại học Carnegie Mellon đã thử nghiệm xe xuyên đất nước với 98% thời gian xe không người lái. Và đây là hướng phát triển được nhiều công ty hiện nay lựa chọn.
Giai đoạn 02: Các thử thách vĩ đại
Từ năm 2003 đến năm 2007, Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến (DARPA) của Mỹ đã tổ chức ba “Thử thách vĩ đại” để thúc đẩy những công nghệ tự hành tiên tiến và khơi dậy trí tưởng tượng của công chúng.
Thử thách đầu tiên dài 150 dặm, yêu cầu xe tự hành hoàn toàn với giải thưởng lên tới 1 triệu và 2 triệu USD. Tuy nhiên không đội thi nào hoàn thành được thử thách đó, đội di chuyển được nhiều nhất là chưa đến 8 dặm.
Tuy nhiên câu chuyện của 18 tháng sau đó hoàn toàn khác khi “Thử thách vĩ đại” lần thứ 2 diễn ra, có tới năm đội hoàn thành thử thách.
Năm 2007, DARPA tổ chức thử thách lần thứ 3, và đây cũng là thử thách cuối cùng. Thử thách được gọi là “Thử thách nơi đô thị”. Đúng như tên gọi, các phương tiện phải chạy qua một lộ trình tại đô thị dài 60 dặm, xe phải tuân thủ luật giao thông và điều hướng cùng với các phương tiện tự lái và do con người điều khiển. Và cuối cùng sáu đội đã chiến thắng thử thách này.
Những Thử thách vĩ đại này đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống cảm biến, thuật toán máy tính để phát hiện,tương tác với các xe khác, điều hướng đường đi và tuân thủ luật giao thông và đèn tín hiệu.
Giai đoạn 03: Thương mại hóa
Các thử thách của DARPA đã củng cố mối quan hệ hợp tác giữa các nhà sản xuất ô tô và các trung tâm nghiên cứu tại các trường đại học bao gồm Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hợp tác Xe Tự hành, sự hợp tác giữa GM và Đại học Carnegie Mellon và sự hợp tác giữa Volkswagen và Đại học Stanford.
Sáng kiến Xe không người lái của Google đã đưa ô tô tự lái từ phòng thí nghiệm của trường đại học vào nghiên cứu thương mại. Chương trình bắt đầu ngay sau Thử thách nơi Đô thị của DARPA và thu hút các kỹ sư và nhà nghiên cứu tài năng từ một số đội tham gia cuộc thi. Trong những năm sau đó, Google đã phát triển và thử nghiệm một đội xe hơi và khởi xướng các chiến dịch để chứng minh các ứng dụng của công nghệ, chẳng hạn như các video nêu bật khả năng di chuyển dành cho người mù (Google, 2012). Và đương nhiên Google không đơn độc trong hành trình chinh phục xe tự lái, rất nhiều hãng xe ô tô đã tham gia bao gồm Ford, Mercedes Benz, Audi, Nissan, Toyota, BMW và Volvo.
Năm 2011 đánh dấu một bước ngoặt quan trọng khi luật về xe tự lái lần đầu tiên được thông qua mặc dù đó chỉ là luật của một bang (Nevada, Mỹ). Hiện nay số lượng bang cho phép thử nghiệm xe tự lái tại Mỹ đã tăng lên và một số nước khác cũng đã ban hành luật.
Tính đến thời điểm hiện tại, xe tự lái cáp độ 05 đã xuất hiện, việc thương mại hóa vẫn đang được đẩy mạnh và hứa hẹn một tương lai với rất nhiều phương tiện tự lái.