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据记载，古希腊时代，Hippocrates（前460—前377）和Aristotle（前384—前322）就对动物做解剖观察，并著书描述多种动物脏器的差别。Erasistratus（前304—前258）在猪的实验中确定了气管是吐纳空气的通道，而肺则是交换空气的器官。古罗马著名的医师和解剖学家Galen（130—201）对猪、猴及其他动物做解剖观察，提出在血管内运行的是血液而不是空气，神经是按区分布等重要观点，并编有解剖学专著《医经》，提出了实验研究是医学研究的基础。英国解剖学家W.Harvey（1578—1657）采用狗、蛙、蛇、鱼和其他动物进行实验研究，发现了血液循环和心脏在血液循环中的作用，并于1628年出版《心血运动论》一书，从而为创建生理学开辟了道路。
1789年，英国E.Jenner（1749—1823）进一步发明给人接种牛痘，以预防天花。法国L.Pasteur（1822—1895）用减低细菌毒力的方法创制了鸡霍乱菌苗、炭疽病菌苗、狂犬病疫苗，使动物获得免疫，大大推动了传染病特异性预防的进展。
法国生理学家C.Bernard（1813—1878）利用动物实验发现了胰液在脂肪消化中的作用，发现肝脏的产糖功能等。
德国内科医生BJ.Von Mering（1849—1908），俄国医学家病理学家O.Minkowsa（1858—1931）通过手术切除狗胰脏，认识到胰腺在糖尿病发病中的作用，发现了胰岛素，拯救了无数糖尿病患者的生命。
俄国生理学家 Ivan Pavlov（1849—1936）通过动物实验，在心脏生理、消化生理和高级神经活动三个方面取得了重大突破，他说：“没有对活的动物进行实验与观察，人们就无法认识有机界的各种现象。这是无可争辩的。”
古代中医动物实验甚少，可分为两类，一类是对动物治病本能的观察，见于《吴普本草》；一类是对动物施加某种人为因素后的观察，见于《论衡·卷七·道虚篇》。将动物实验所得到的理论和经验通过类比而用之于临床见于《医宗金鉴》，动物毒理实验方面见于《证类本草》，解剖动物进行实验观察见于《家藏经验方》等，以上均是古代中医对相关动物实验的探索。
上述动物实验的发展是人类医学发展史上的重要发现，虽限于当时的条件，使用的都是一般动物，但由此逐渐创立了生物学和实验医学的各个学科。这些学科的发展为实验动物学的形成和发展奠定了基础。
早在19世纪20年代，由于饲养环境、遗传背景不同，导致实验结果缺乏可重复性和可比较性，因此以满足科学好奇心为主的动物实验逐渐走向正规和精确。1934年，德国科学家向德国研究会建议组建专门机构对动物的健康状况、遗传背景进行研究和管理。1942年，英国病理学会向医学研究会和农业研究会提出建议，重视培育健康的实验动物，并于1947年成立了实验动物局。1944年，美国科学院在纽约召开会议，首次把实验动物标准化问题提上了议事日程，人们通常将此次会议作为实验动物学形成的起点。1950年，美国成立了美国实验动物学会（American Association for Laboratory Animal Science，AALAS）。1956年，联合国教科文组织发起成立了国际实验动物科学理事会（International Council for Laboratory Animal Science，ICLAS），并与世界卫生组织（World Health Organization，WHO）、国际科学联盟理事会（International Council of Scientific Union，ICSU）、国际医学科学组织理事会（Council for International Organizations of Medical Sciences，CIOMS）、世界兽医学会（World Veterinary Association，WVA）建立官方关系，以此为标志，将20世纪50年代中期作为实验动物学真正形成的时期。与此同时，一些发达国家相继成立实验动物研究机构。1957年，美国成立了实验动物医学会（American College of Laboratory Animal Medicine，ACLAM），德国成立了实验动物繁育中央研究所。1961年，加拿大建立动物管理委员会，并出版了《实验用动物管理与使用指南》 （ Guide to the Care and Use of Experimental Animals ）。1965年，美国成立了实验动物饲养管理评估及认证协会（Association for Assessment and Accreditation of Laboratory Animal Care，AAALAC），其宗旨是通过自愿评估和认证，在生命科学研究和教育过程中，保证和促进高质量的动物管理和使用，以及动物福利环节的规范化。该机构的认证体系得到国际上的普遍认可，已成为一个国际性的组织。各国相继颁布了实验动物相关的管理条例、法规或规范，逐步实现了实验动物生产的标准化、商品化和社会化，并形成了较完整的实验动物教育、科研、生产管理与应用体系。
1987年，中国实验动物学会成立，并于1988年成为国际实验动物科学理事会（ICLAS）的成员国，并由科技部以2号令颁布了我国第一部由国家立法管理实验动物的法规《实验动物管理条例》，1998年建立国家啮齿类动物种子北京中心和上海分中心。
随着动物实验在生命科学研究中的广泛应用，为了提高动物实验的科学性、准确性和可重复性，人们开始有选择、有目的地去开发应用一些动物的新品种品系，并对实验动物开展系统的研究，为提高实验动物质量，进行对实验动物的微生物和寄生虫学、环境生态学、遗传学等方面的控制研究。
1.实验动物的微生物和环境控制 17世纪70年代，显微镜的发明使人们可以通过光学显微镜看到人眼无法看到的微观世界，特别是人和动物的体表以及与体表相同的管道内存在着大量的微生物。这些微生物是人和动物生存所必需的吗？1885年，Nuttal等成功培育了无菌豚鼠，回答了动物在无菌条件下能否生存的理论问题，为建立悉生生物学和实验动物的微生物学质量控制奠定了基础。1928年，Reynier等成功研制出金属隔离器。1957年，Treyler又研制出塑料隔离器。隔离器的诞生，改进了无菌技术，推动了无菌动物和悉生生物学的发展，也提出了实验动物的环境控制理论。20世纪60年代起提出了屏障系统概念，将实验动物饲养在屏障环境内可预防和控制病原微生物感染，避免了病原微生物对实验动物生产和动物实验的危害。经过五十多年的发展，现在屏障系统的设计、运行、管理理论和实践已日趋成熟，从而保证了实验动物的质量。
2.实验动物的遗传学控制 1909年，Little在研究小鼠毛色基因时，采用近亲繁殖法培育出第一株近交系小鼠DBA。近交系小鼠培育成功对实验动物学的发展具有重大意义。1913年，Bagg成功培育了BALB/c近交系小鼠，随后近交系小鼠C57和C58培育成功。1941年，杰克逊实验室出版了第一部小鼠专著《实验小鼠生物学》。美国人Donaldson Bn也于1909年开始近交培育白化大鼠，到1920年已经兄妹近交到第38代，之后逐渐培育出了现今的PA系和BN系近交大鼠；另一群远交大鼠即Wistar大鼠在1911年左右育成。从1918年起，用其他外来血缘的大鼠与Wistar大鼠杂交，最终培育出包括SD大鼠、Lewis大鼠、Long-Evans大鼠等在内的其他大鼠品种或品系。我国也自主培育出近交系小鼠津白1号（TA1）和津白2号（TA2），封闭群KM小鼠。各种品种品系的培育成功极大地推动了生命科学研究的发展，也为实验动物的遗传学质量控制及其标准化奠定了基础。
1.疾病动物模型的应用 疾病动物模型的应用可以追溯到20世纪初。1914年，日本人山极和市川用沥青长期涂抹家兔耳朵成功诱发皮肤癌，进一步的研究发现，沥青中的3，4-苯并芘为化学致癌物，从而证实了化学物质可以致癌的理论。1966年，Flanagan培育出了突变系裸小鼠，利用免疫缺陷动物，在免疫学、肿瘤学、药理学和组织移植等方面获得了许多突破性的研究成果。但以疾病的动物模型作为专题进行开发研究，则是在20世纪60年代初才真正开始的。1961年10月，美国国立卫生研究院（National Institutes of Health，NIH）提出大力发展人类疾病的动物模型。此后，国际上多次召开“实验动物模型”专题会议，促进了动物模型研制工作的发展。至1980年，Hegreberg和Leathers在其编著的《动物模型》一书中记载的自发性疾病动物模型已有1289种，而诱发性疾病动物模型则达2707种。同样，疾病动物模型的广泛应用促进了免疫学、肿瘤学、药理学和临床医学各学科的发展。
2.遗传工程技术的应用 20世纪80年代以来，随着遗传工程技术的发展，1980年，Gordon等成功培育了携带胸苷激酶基因的转基因小鼠。1982年，Palmitrea获得携带大鼠生长素基因的转基因小鼠，以此为标志，基因工程技术广泛应用于实验动物科学研究的各个领域。一方面，为建立人类疾病动物模型研究开辟了新的途径；另一方面，基因工程动物在高新技术领域得到广泛应用。用分子生物学技术将一个外源基因导入动物个体内，或将体内的一个或多个基因进行敲除、改造或替换，从而制造出自然界所没有的、能按人类意愿进行改造、为生物医学研究提供个性化的品系，极大地丰富了实验动物学的内容。基因工程技术如基因打靶、基因捕获、基因沉默和转基因技术等在小鼠的基因修饰和品系培育上的广泛应用，获得了大量的转基因模型、基因剔除/敲入模型、基因功能研究模型，成为生命科学、医学研究的重要支撑条件，推动了生命科学和医学研究的发展。
随着生命科学的飞速发展，现代实验动物学在完成标准化理论体系后，以满足生命科学研究的需要为己任，向着更深、更广泛的方向发展。
自从20世纪80年代世界上第1只转基因小鼠诞生以来，遗传工程小鼠已经成为解析基因功能、研究疾病发病机理及新药研发的重要技术手段和方法。至今全世界至少已制作和保存1万余个遗传工程小鼠品系供研究用。但是要完全解析小鼠的全部基因功能进而推广到人类，还有很长一段路要走。事实已经证明，从基因结构到基因功能的阐明，从单基因到多基因作用的研究都必须在动物完整个体上进行。因此，遗传工程小鼠在今后相当长的时期内还将成为研究开发的热点。
研究开发自然界的野生动物资源，发现其特有的生物学特性，并进一步使其实验动物化，这是实验动物学学科发展的方向之一。例如，我国特有的动物资源鼠兔、东方田鼠、黑线仓鼠等均已在研究开发中，有的已应用到生物医学研究中。此外，一些水生鱼类、家畜等因具有独特的利用价值，也在研究开发中。
出于对生命的尊重和动物实验伦理上的考虑，如何减少科学研究中动物的使用数量，寻找动物实验的替代方法，优化动物实验程序以及注重动物福利已经成为生命科学研究者共同思考的问题和发展的方向。有的已经应用到实践中，但更多的还是停留在“原则”层次上，在理论和实践上存在较大的差距。受动物保护运动的影响，兴起了“3R”运动，即减少（reduction）、替代（replacement）、优化（refinement）。
利用遗传工程技术，将具有表达活性蛋白的基因转移到实验动物体内，使其在乳汁、血液、尿液等体液中表达基因产物，成为活的生物反应器。将其中的基因产物分离纯化后，就可以得到人们期望得到的生物药品。在生物反应器研究中，对乳腺生物反应器的开发应用最多。从国际大公司开发的情况中可以看出，高经济价值的医用蛋白和营养蛋白是重要的研发对象，如抗凝血酶Ⅲ（AT-Ⅲ）、α 1 -抗胰蛋白酶（AAT）、蛋白C、乳铁蛋白、乳糖酶等都已进入了三期或二期临床试验阶段。选择目的基因应当首先考虑那些正常情况下来源困难或浓度低、其他表达系统难以生产且临床应用前景广阔的蛋白基因。用途更广、需求量更大的治疗性抗体、营养蛋白和工程酶将成为制备乳腺生物反应器的首选靶蛋白。
此外，带有人类基因，或者敲除引起排斥反应基因的转基因猪，有可能克服器官移植中的排斥反应，为人类器官移植提供新的材料来源。
随着生物技术的发展，一些新技术逐渐应用到动物实验中，如动物个体电子标签技术、无创伤血压测量技术等，能在动物不受干扰的情况下进行个体识别，采集心跳、血压、心电图和呼吸等生理指标，从而极大提高了动物实验结果的准确性。磁共振成像技术、活体荧光成像技术等能在实验时对活体动物进行成像、示踪，方便了实验结果的分析。可以预计，随着科学的进步，新技术、新方法将会更多地应用到动物实验上来。