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系统学虽然是一门新兴的学科但它最核心的整体的系统观念却是自古有之。古人生产力水平低下，他们把人的生老病死与自然界的现象联系在一起做类比，形成了“天人合一”的世界观。这种世界观就包含有系统的思想，中国老庄哲学就反映了这种思想。古希腊哲学家德漠克利特把宇宙看成是由原子组成的统一整体。这个阶段还没有出现科学更多是形而上的哲学思想，但正是这种思想中蕴含了整体的观念、运动与变化的认识。人们也在生产活动的实践中运用了这样的思想，比如最典型的当属中医，古代中医理论“黄帝内经”强调了人体各器官联系、生理现象与心理现象联系、身体状况与自然环境联系。把人的身体结构看成是自然界整体的一个部分，认为人体的各个器官组成了一个有机的整体。虽然用阴阳五行学说来解释五脏之间的相互依存、相互制约的关系过于抽象，但这暗合系统内各子系统之间的关系、系统与环境之间的关系。而在诊疗实践中中医采用简单地切脉方式，仅从手腕处脉搏跳动的速度快慢、力量大小等特点来判断出现病变的部位及程度，就是将人看成一个整体，利用人体局部发生病变时会影响到血液循环的原理。中医在治疗疾病时所用针灸方法，也是将人看成一个各器官通过经络相互联系的整体，对很多不同器官的疾病都可以通过人体相穴位针灸达到治愈的目的。现代科学开始对中医的经典理论，如阴阳五行、脏腑经络等进行深入研究，试图用现代科学的视角和方法解释其内涵。
另一个中国古人运用系统思想进行工程实践的著名案例是都江堰。作为一个水利工程它同时考虑了引水、灌溉、防洪、排沙、泄洪多种功能，并且通过巧妙地结构设计让这些功能自然发挥作用。整个工程包括三大主体结构：“鱼咀”—岷江分水工程，“宝瓶口”—引水工程，“飞沙堰”—分洪排沙工程。三者形成一个统一的整体，没有“鱼咀”分水工程，大量的沙石就不可能排入外江；没有“宝瓶口”引水工程，水形不成回旋流，泥沙无法越过“飞沙堰”排泄出去；而没有“飞沙堰”工程将泥沙排走，“宝瓶口”将被泥沙堆积无法发挥引水作用，水也不能进入成都平原。都江堰水利工程总体上的设计和建造，使它在各个方面都起到较好的作用，并且由于是在总体上进行设计，因此能在较多方面长期发挥作用，2200多年的水利工程一直到现在都江堰还在对四川平原的农业生产产生着效益，这也算是一个奇迹了。
系统科学发端于20世纪20年代，奥地利生物学家L.von贝塔朗菲提出的一般系统论的萌芽，同时期出现的运筹学，可以算是系统工程的萌芽。之所以出现系统科学是因为人的生产方式从简单的手工业发展成越来越复杂的现代化工业，需要在理论上指导复杂工艺流程与工程活动。从生产活动角度看一直到资本主义发展初期，生产规模都较小，生产设备比较简单。生产资料的分配、人员的管理简单，自然资源充足，基本没有环境污染问题，人们考虑最多的问题是如何用复制生产流程、增加人员、机器的方式扩大生产规模。这种简单的生产方式没有产生系统科学研究的土壤。进入20世纪随着生产的不断发展，生产的流程、工艺越来越复杂，需要协调的人财物资源越来越多，反过来要求人们从全局角度考量效益的最大化，所以运筹学最先诞生。二战爆发后由于战争面临的很多实际问题，比如如何布置炮火防御系统以便更好消灭敌方飞机的空袭？如何搜索目标以便发现潜艇等等。这些问题既是实践性非常强的具体问题，又具有很强的理论价值。于是各国投入了大量的科研人员来解决这些问题，在此过程中提出了一些新的概念、方法。二战结束后这些学术成果及“实战”经验被提高与升华于是系统论、控制论、信息论等一批应用学科出现。这些技术学科的建立使系统科学从思辨的系统思想层次发展成为定量的以数理科学为基础的技术科学层次。
另一方面从科学自身发展的角度看，20世纪之前的人们的科学观念是机械式的还原论的。随着物理学和数学的发展，特别是19世纪末统计力学和20世纪20年代量子力学的建立，把统计规律引入许多学科。与动力学规律不同，统计规律表现出明显的不确定性不再是机械式的决定性的。统计规律的实质是概率性的，涉及自然界的随机现象。为了描述系统中大规模的概率现象，热力学中用于描述系统无序程度或随机性的熵被引入信息论中。另外随着生命科学的发展日渐被重视，生命现象既有或然性也有必然性不能用统计力学与量子力学的统计定律来描述。生命既不是经典的物理现象，也不是新兴的量子现象，人们开始将生命视为一个系统现象。之后这种“系统”的观念被广泛应用到工程、生态、经济、社会等各个领域。最后是计算机的出现为人们提供了探索复杂性有力的技术工具。
系统理论的发展分两个阶段，第一阶段俗称为老三论：系统论、信息论、控制论。它有三个核心概念：系统、信息与控制。这里的系统不是指某一具体的系统而是抽象的一般系统。研究的是各种不同领域系统表现出的共性的运动与演变规律。强调系统结构与功能的研究，以及系统、要素、环境三者的相互关系和变动的规律性研究。系统是整体，要素是构成整体的基础，环境代表着系统与外部的关系。首先，从整体出发进行系统综合，得到各种可能的系统方案；其次，系统地分析各个要素及其关系，建立数学模型；最后，对数学模型进行优化选择并重新综合成整体。
对系统状态的描述、控制离不开对信息的获取、处理。信息通过概率来定义描述系统的有序程度。用信息可以揭示系统的共同属性，通过研究系统普遍存在的信息接收、存贮、加工和传输的变换过程，就能揭示其内部的信息联系。运用传统方法很难发现它们之间的联系。信息对于揭示事物的组织结构程度、研究物质和能量的时空分布不均匀程度以及系统的演化方向等问题有着重要的意义。另外信息及时有效的反馈和沟通是控制系统的基础。
在系统科学中对系统变化是通过一组状态集合来描述的。系统从某一时刻的A状态开始演变，演变过程存在非常多的可能性，系统科学将各种演变的可能性称为可能性空间{B，C，D……}。系统只是由于条件或者机遇的关系，最终才沿着某一特定的方向发展下去。所谓控制，就是人们根据自己的目的，改变条件，使事物的可能性空间缩小，沿着某种确定的方向发展，从而形成控制。如果系统只能从A演变为B状态就无所谓控制。
“老三论”适用的系统更多是一类“简单系统”，通常是一些人造系统或复杂的项目，典型的如制造原子弹的“曼哈顿计划”，阿波罗登月计划等。这些系统比传统工业化生产要复杂与庞大的多，人们又需要非常精确地控制过程与结果，否则一个小差错就可能导致整体的失败。但现实世界中还存在一类自然演化形成的复杂系统，比如前面提到生命。这类系统是长期演化的结果。复杂系统的运动规律与之前自然规律不太一样，即使一个简单的规则也可以演化出一个非常复杂的系统，而演化的结果介于确定与随机之间。到了20世纪60~70年代非线性科学发展迅速，耗散结构理论、协同学、突变论等理论出现，被称为系统学的“新三论”。这些理论从不同角度揭示了复杂系统的运动与变化的规律。相比老三论这些理论描述的系统更接近现实世界中系统的表现。当一个复杂的自然系统，当其内部各个子系统之间相互作用为非线性互作用时，其演化可呈现出新的现象以及不同于线性变化的规律。比如耗散理论认为一般情况下，小的涨落会自生自灭，并不影响系统结构的稳定性。但是，涨落如果发生在系统远离平衡的非线性区，涨落就会被放大甚至可以使系统离开原来的状态或轨道，从而破坏原有系统结构的稳定性，为系统形成新的有序结构创造条件。协同学则进一步认为系统通过涨落形成新的有序状态，原因在于事物系统本身所固有的一种调节能力和协同作用，或者说自组织能力，它是系统自身存在和发展的动力。自组织能力促使各子系统之间耦合，产生相干效应，这种相干效应是一种整体效应，它使各游离状态的子系统按一定方式在大范围内相互连接、相互促进，从而产生新的质，形成新的结构。突变论则为耗散结构论与协同学提供了数学工具。
非线性科学以及对复杂性研究的兴起极大的推动了系统科学跨入了一个新的阶段。因为复杂系统是一种普遍的现象，从自然界的物理、化学现象，到经济、社会、生态系统等等。非线性科学的加入以及对复杂系统的研究使系统科学体系逐步完善，研究的对象也更具普适性。这种普适性使系统科学成为一种交叉性的基础学科。钱学森先生更是将系统科学与自然科学、社会学并列。系统科学也在综合不同学科中的先进理论，构建自身的理论框架。人们分析不同学科领域中理论之间的差异，寻找其共同特点，按照复杂系统演化的观点，将不同领域中的理论、方法归纳总结成统一的理论。