A 3D-nyomtatás elődjének a fröccsöntésnek nevezett műanyagmegmunkálási technológia tekinthető. A fröccsöntés úgy működik, hogy az alapanyagot olvadáspontra hevítve, azt egy kész formába pumpálják, amelytől a műanyag így felveszi a kívánt formát. Természetesen ezzel a módszerrel csak előre meghatározott alakzatokat lehetett tömegesen gyártani, az öntőformák megmunkálása pedig rendkívül költségesnek számított.
A nyolcvanas évek elején, 1981-ben aztán Hideo Kodama, a Nagoya ipari kutatóintézet munkatársa dolgozott ki egy módszert háromdimenziós, fényre szilárduló műanyag modellek létrehozására. Ez a technológia leginkább a fogorvosi rendelőből lehet ismerős, a különleges polimer megszilárdításához ugyanis ultraibolya fényt használt. A különböző alakzatok létrehozására pedig egy speciális maszkolási mintát alkalmazott.
Három évvel később, Alan Le Méhauté, Olivier de Witte és Jean Claude André szerette volna szabadalmaztatni az úgynevezett sztereolitográfia módszerét, azonban az akkori francia villamos művek (a mai Alcatel-Alstom konszern) nem foglalkozott beadványukkal, mert nem láttak benne üzleti lehetőséget.
1984-ben Chuck Hull, a 3D Systems Corporation nevű cég munkatársa fejlesztett ki egy prototípust, amely a fenti módszeren alapult. A rendszer úgy működött, hogy a fényre keményedő polimereket rétegenként hordták fel egymásra és ultraibolya tartományú lézerekkel bombázták. Hull szerint ez a rendszer már lehetővé tette háromdimenziós tárgyak létrehozását. Szintén Hull dolgozta ki az STL fájlformátumot – a betűk a STereoLitography kifejezésből származnak – amelyet a mai napig széles körben használnak a 3D-nyomtató szoftverek.
A 3D-printerek kezdetleges változatai a tintasugaras nyomtatók nyomtatófejét alkalmazták, a mai modernebb változatok már a műanyagiparban használt extruder-technológia módosított alkalmazásával üzemelnek.
A kilencvenes években a hasonló, de fémet alkalmazó ipari folyamatokat – mint például a szinterezés, a robotizált precíziós hegesztés, vagy a CNC-fémesztergálás) az előbb felsorolt néven ismerték. Azonbana kilencvenes évek közepén a Stanford és a Carnegie Mellon egyetemek kutatói új anyagmegmunkálási módszereket fejlesztettek ki, amelyek már lehetővé tették a fémek hasonló megmunkálását is.
A kétezres évek elejére az anyagmegmunkálás terén további fejlődést értek el, a 3D-nyomtatás megnevezés azonban még ekkortájt is csak a műanyagok megmunkálására vonatkozott. A technológiai fejlődés a 2010-es évek elejére hozta el a kereskedelmi forgalomban is elérhető 3D-nyomtatókat, amelyeket ma már egy jobb teljesítményű számítógép áráért bárki megvehet. Az eszközök java része a mai napig műanyaggal működik, de léteznek például gasztronómiában használatos változatok, amellyel például csokoládéból vagy tésztából lehet extravagáns alakzatokat létrehozni. Ami a 3D-nyomtatás alkalmazását illeti napjainkban már a könnyített orvosi rögzítőktől kezdve a cipőkön át a protézisekig számtalan használati tárgyat és orvosi segédeszközt lehet készíteni. A Nemzetközi Űrállomás űrhajósainak is megkönnyítette az életét a módszer, ugyanis, amióta a fedélzeten használhatnak 3D-nyomtatót, azóta, ha valamilyen szerszámra szükségük van, elég annak a tervrajzait emailben elküldeni nekik, ők pedig a helyszínen le tudják gyártani a szükséges eszközt.