腕時計自体は19世紀後半に誕生したが、当初は単に時計の付随したブレスレットであって女性用の装身具に過ぎず、実用上も精度は低かった。
現代の意味での実用腕時計が誕生した契機は、機動性・迅速性を要求される軍隊用の需要である。それまでの懐中時計はポケットからいちいち取り出して時間を確認する必要があり、特に砲撃間隔の測定に計時動作が必須な砲兵たちは、時計を片手に砲撃操作を行わねばならなかった。
このよう状況から、手首に懐中時計をくくりつけて使用する工夫が始まり、やがてドイツ軍がこのアイデアの製品化を時計メーカーに打診している。記録に残る最初の発注は1879年、ドイツ皇帝ヴィルヘルム1世がドイツ海軍用としてジラール・ペルゴに腕時計を2,000個製作させたという記録がある。
その他の草創期の使用例としては1895年の日清戦争に従軍した日本兵の写真に腕時計（一説に、腕に巻いた懐中時計）が写っていた例、1899年のボーア戦争でイギリス軍将兵が懐中時計を手首に装着した例がある。
1902年にはオメガ社が腕時計を本格商品化し、軍人が腕に付けた腕時計を見ながら「これは欠かせない軍用装備だ」と言っている内容の広告を打っている。
しかし、当時の男性用腕時計は女性用懐中時計の竜頭位置を横に変えて革ベルトに固定したものであり、軍用としてはともかく、一般の男性民間層にはなかなか普及しなかった（後日、女性用懐中時計のムーブメント（時計内部の機械）のみの共用を経て、腕時計専用のケースとムーブメント開発が行われるようになった）。しかし依然として男性が携帯する時計は懐中時計が主流で、腕時計は正式な存在とは見なされていなかった。
紳士用腕時計として最初に大きな成功を収めたのはフランスのカルティエが開発した角形ケースのサントスで、1911年のことである。元々この腕時計はブラジル人の飛行家であるアルベルト・サントス・デュモンのために作られたものであった。サントス・デュモンは飛行船の操縦中、大きな動作を取らずに時間を確認できるよう、ルイ・カルティエに依頼して腕時計を制作させた。それまでの軍用時計と違い洗練された形態はパリの社交界で話題となり、市販されるように至った。「サントス」はスポーツ・ウォッチの古典となり、21世紀に入った現在でもカルティエの代表的な製品の一つとして市販されている。
第一次世界大戦は腕時計の普及を促す契機となり、男性の携帯する時計は懐中時計から腕時計へと完全に移行した。戦後には多くの懐中時計メーカーが腕時計の分野へ転身した。
第二次世界大戦以前からの主要な腕時計生産国としては、懐中時計の時代から大量生産技術が進展したアメリカ合衆国のほか、古くから時計産業が発達したスイス、イギリスなどがあげられる。後に英国のメーカーは市場から脱落した。アメリカのメーカーも1960年代以降に高級品メーカーが衰亡してブランド名のみの切り売りを行う事態となり、正確な意味で存続するメーカーは大衆向けブランドのタイメックスのみとなった。
自動巻腕時計とは、時計内部に半円形のローターが組み込まれており、装着者が腕を振ることにより、ローターが回転しぜんまいを巻き上げることができるというものである。錘（ローター）を仕込んだ自動巻機構自体は1770年に発案されていたが、ポケットに収まった安定状態で持ち運ばれる懐中時計ではうまく働かず、装着時に手首で振られて慣性の働きやすい腕時計において、初めて効果を発揮することになった。
最初の自動巻腕時計となったのは英国のジョン・ハーウッドが開発した半回転ローター式で、1926年にスイスのフォルティスから発売された。続いてより効率に優れる全回転式ローター自動巻がスイスのロレックスで1931年に開発され、同社は「パーペチュアル」の名で市販、オイスターケースと呼ばれる防水機構と共にロレックスの名を売った。現在では全回転ローター自動巻が一般化している。
自動巻腕時計の多くは、竜頭を用いてぜんまいを手巻きすることもできるが、廉価型の腕時計には構造を簡素化する目的で自動巻専用としたものもある。自動巻は装着されている限りぜんまいの力が常に十分に蓄えられているため、手巻き式に比べて精度が高くなる傾向がある。身に付けていない場合にはワインディングマシーンにセットしておくことでぜんまいを巻き上げる事が可能であり、機械式腕時計のコレクターがこの種の装置を用いる例が見られる。
日本では1913年、服部時計店が国産初の腕時計「ローレル」を発売している。
第二次世界大戦後、日本の時計技術は着実に進歩していった。カメラと並ぶ輸出商品としての可能性を期待された面もあった。1955年には国産初の自動巻腕時計「セイコーオートマチック」が発売され、その後も「グランドセイコー」、「シチズン クロノメーター」など、スイス製の腕時計と比肩しうる精度の国産時計が続々登場した。1964年には東京オリンピックの公式計時機器として海外メーカーを抑えセイコーが採用された。セイコーは電子計時を採用し、オリンピックで初めて計時に関してノートラブルを実現した。これを契機に日本製腕時計が世界的に認められるようになる。
日本の主要な腕時計メーカーは、電子計算機分野から参入したカシオ計算機を除くと、すべて懐中時計や柱時計の分野から参入した企業である。大手ブランドのセイコーとシチズン時計、カシオのほか、オリエント（吉田時計店）が業績不振から現在はセイコー傘下にて存続する。かつてはタカノ（腕時計生産は1957年から）が存在したが、中京圏に本拠があったため1959年の伊勢湾台風で大被害を受けて業績悪化、1962年にリコーに買収された。
機械式の腕時計には振り子の代用をするテンプが仕込まれており、その振動数が高ければ高いほど時計の精度は上がる。並級腕時計のテンプは振動数が4?6回/秒のロービートだが、高精度型腕時計では8?10回/秒の多振動となっており、ハイビートとも呼ばれる。現代の機械式時計のうち、スイス製の多くはハイビートであり、また日本製でも上級品はハイビートが多い。ただし、ハイビート仕様とすると部材の疲労や摩耗が早まり、耐久性ではやや不利である。
電池エネルギーで作動する腕時計は、アメリカのハミルトンが開発し、1957年に発売したのが最初である。これは超小型モーターで駆動する方式で、調速の最終段階には機械式同様にテンプを使っていたが、電源をトランジスタで整流して駆動力の安定を図っていた。
