试验设计自20世纪20年代问世至今，其发展大致经历了3个阶段，即早期的单因素和多因素方差分析、传统的正交试验法和近代的调优设计法。到目前为止，本学科经过了90多年的研究和实践，已成为广大技术人员与科学工作者必备的基本理论知识。实践表明，该学科与实际的结合，在工农业生产中产生了巨大的社会效益和经济效益。
20世纪20年代，英国生物统计学家及数学家费歇（R. A. Fisher）首先提出了方差分析，并将其应用于农业、生物学、遗传学等方面，取得了巨大的成功，在试验设计和统计分析方面作出了一系列先驱工作，开创了一门新的应用技术学科，从此试验设计成为统计科学的一个分支。20世纪50年代，日本统计学家田口玄一将试验设计中应用最广的正交设计表格化，在方法解说方面深入浅出，为试验设计的更广泛使用作出了巨大的贡献。
我国从20世纪50年代开始研究这门学科，并在正交试验设计的观点、理论和方法上都有新的创见，编制了一套适用的正交表，简化了试验程序和试验结果的分析方法，创立了简单易学、行之有效的正交试验设计法。同时，著名数学家华罗庚教授也在国内积极倡导和普及“优选法”，从而使试验设计的概念得到普及。随着科学技术工作的深入发展，我国数学家王元和方开泰于1978年首先提出了均匀设计，该设计考虑如何将设计点均匀地散布在试验范围内，使得能用较少的试验点获得最多的信息。
随着计算机技术的发展和进步，出现了各种针对试验设计和试验数据处理的软件，如SAS（statistical analysis system），SPSS（statistical package for the social science），Matlab Origin和Excel等，它们使试验数据的分析计算不再繁杂，极大地促进了本学科的快速发展和普及。
