纪元前时期
产生初步的齿轮之后，人类开始探究齿轮相关议题与原理。这样的尝试，以我们所知，最早是亚里斯多德。他在《机械的问题》一书中，提到楔、曲轴、滚柱、车轮、滑轮等机械组件之外，还提到以青铜或铸铁制造可以传达回转运动的齿状轮，这是可查证的最早齿轮描述记录。换言之，至少在亚里斯多德的时代以前，就存在金属材质的雏形齿轮。既然知道人类已经发明齿轮，接着，让我们进一步探讨古代人类如何使用雏形齿轮。据查，人类使用雏形齿轮，集中于汲水或扬水装置的传动。直到今天，还可以在两河流域、尼罗河，甚至黄河流域等地，看到这种使用雏形齿轮的扬水装置。不仅仅是亚里斯多德，希腊的另一位学者阿基米德也探讨研究过齿轮。阿基米德甚至研究了亚里斯多德所未曾提及的蜗轮，并留下相当篇幅的记录。在那个时代，人们不仅仅将齿轮用于传递回转运动，还懂得利用齿轮作为省力装置。如亚历山大时代Pappus与Hieron的记载，出现了一个蜗轮与九个齿轮的省力装置，使得人们可以用130公斤的力量举起26公吨的重物，那大约释放了200倍的效能。 根据Pappus的记载，阿基米德曾经利用前述装置，以仅仅少数奴隶就将一艘大战舰Syrakusia推入海中，并引起当时社会巨大的反响。在理解各种省力装置的巨大效能之后，难怪阿基米德会发下：“只要给我一个适合的支点，我可以搬动整个大地”的豪言。
公元初始时期
公元2世纪的Hieron所提及的省力装置，比阿基米德时代更进步许多。前面所说的是扬水装置。但在公元1世纪左右，罗马的建筑师Vitruvius首度提及利用齿轮装置的传动功能，进行水力磨粉的工作。我们可以想象与理解，这样的装置成为当时民生生活中不可或缺的设备。换言之，齿轮的技术，已经获得广泛的应用。据史料记载，远在公元前400~200年的中国古代就巳开始使用齿轮，在山西出土的青铜齿轮是迄今巳发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。罗马时代遗迹中出土的铁制梢（灯笼形）齿轮，成为目前最早的齿轮装置遗物之一，时间约等于公元120年～200年左右。另外，一项很古老的印度棉核剔除机也算是齿轮装置的元祖之一，现正收藏在柏林博物馆中。类似的机械被人类一直使用到十九世纪末叶。12世纪左右在瑞典也出现螺旋齿轮，这也被认为运用在磨粉机上。
如上所述的各项雏形齿轮机构，与生活有广泛的结合，除此之外，人们也逐渐理解到齿轮技术的意义。如众所知，齿轮的另一项应用就是时钟，最初运用在水时钟上，那是在约公元前150年左右的亚历山大时代。现今所知的是埃及使用齿条的水时钟， Hieron和Vitruvius曾在自己的著作中提及以蜗轮作为测量距离的量程车机构的论述，由此可见齿轮传动的准确性已为人所熟知。公元前1世纪～3世纪之间，在克里特岛附近出现了使用精密的行星齿轮机构的天象仪，其残遗的铜片在安提基泰拉到附近被打捞上岸。由这些碎片可知，当时已经出现相当先进的齿轮装置。
齿轮的发展史第四阶段以展成法切削渐开线齿形，为现代齿轮技术的开始。