1953年，美国芝加哥大学的研究生米勒和导师尤列做了一个震动世界的实验。他们在长颈瓶里装上温水，水蒸气飘进一个有甲烷、氨气和氢气的烧瓶，那里频频闪动电火花。接着气体被冷凝成液体，流回温水瓶。一周后发现：水里有多种氨基酸、糖类和脂类。这个实验模拟了原始海洋如何孕育生命。
谁也没见过早期的地球，但因为有了实验室，奇思妙想得以延展，笼罩真相的帷幕得以揭开一角。
最早的科学实验室，描绘在一幅6世纪罗马书籍的版画上。版画画的是古希腊的毕达哥拉斯坐在椅子上，用小锤敲一串悬挂起来的铃铛。书上说，毕达哥拉斯听到金属工人敲击器皿，有了一个假想。他用铃铛证明：物体本身，而非敲击力度决定音调的高低。
古代很少有专门的设备，模拟一种简单和极端的大自然。中世纪后期，现代意义的实验室才有了雏形。伦敦科学博物馆的彼得·莫里斯说：“化学是第一个实验室科学。”1556年阿格里科拉的名著《冶金学》中的插图，描绘了一种化学实验室的雏形：两位工人给熔炉添柴，一屋的冶炼用具，有个研究员坐在桌旁，使用砝码和天平。
观察精心设计的人工装置，比观察自然更有益于增进知识，大概是17世纪被意识到的。托里拆利将水银倒入玻璃管，让管子口朝下竖立在水银槽里，管子里出现了真空。尽管矿工们早就知道，抽水机将水提高10米左右就无法继续，但托里拆利的创举首次让人们相信：伽利略说的“大气的重量”是可以测量的；“真空”是有的。
意大利科学的花骨朵，百年后在英国盛开。18世纪的英国涌现出大量“自然哲学家”，他们在家庭实验室里消闲度日，摆弄着新出现的各种科学玩具——制造真空的气泵、分离空气的气槽、显微镜、压力计、扭秤、温度计、电堆……化学实验室摆满了扭成各种形状的玻璃器，样品齐整的橱柜和大小熔炉。
中国科学院大学的科学史学者柯遵科认为，实验室的兴起，首先是因为科学本身越来越复杂。富兰克林和他的同代人还要亲自做实验；随着仪器增多，富人们甚至得雇用助手了。
英国伟人建立了启蒙时代最有名的实验室——瓦特和合伙人博尔特建造的索霍实验室（Soho），尝试从热气球到雕刻机的各种实验，招待慕名而来的各国访客，它附属于蒸汽机工厂，但主要是满足科学圈同仁的好奇心。
在新生的电磁学、热力学和辐射研究时代，剑桥大学19世纪后期建立的卡文迪什实验室独领风骚。中科院自然科学史所的研究员阎康年说，在卡文迪什，研究员、实验员和技工紧密结合，推动了从个人到集体的科学的转变。
1932年，第一台加速器——高压倍加器在卡文迪什制成，需要几组人配合, 由此开创了大科学时代。卡文迪什1940年代发展到固定研究人员40人，研究生和访问学者400多人，分为几个组系，各成系统，各配车间、工人和计算机房，这种组织模式被今天世界各大科研机构采用。
实验室一开始是私人拥有，往往是富二代，后来则由政府出资。德国人走在这一浪潮的前列。比如柏林大学物理实验室本来是马格努设在自己家里的，后来被国立大学收编。一战前，德国科学借助大量新建立的实验室赶上英法，化肥和化学武器从德国实验室里流出。社科院科技哲学研究室的段伟文研究员说，德国政府投资实验室，主要源于十九、二十世纪之交的国家民族体制。
美国政府也热心于投资国家实验室，段伟文说，这主要源于二战和冷战时期的国防与安全需求。迄今，由美国联邦政府主办或资助的国家级实验室有720所，其中大型综合性的有100所左右。
如果毕达哥拉斯看到今天实验室的庞大规模，手里的敲锤一定会掉到地上。CERN（欧洲核子研究中心）实验室有13000名工作人员，它在2015年的一篇论文有5154位作者；CERN有6个大对撞机，其中LHC的隧道近百公里长；CERN每年花掉的钱，折合成黄金有20吨，都化作了科学论文。