Con la invención de las máquinas de vapor y las bicicletas, los científicos del siglo XIX se dieron cuenta rápidamente de que la combinación de estas dos tecnologías podría mejorar sustancialmente el transporte en las vías públicas.
La primera oleada de bicicletas motorizadas comenzó a aparecer sólo unos pocos años después del estreno de la famosa bicicleta de pedales de Pierre Michaux y duró hasta mediados de la década de 1880. El hijo de Pierre Michaux, Ernest, fabricó la primera motocicleta en su fábrica de París combinando una pequeña máquina de vapor con uno de sus primeros diseños de bicicleta «boneshaker». Ese producto dio el pistoletazo de salida a la producción de muchos otros modelos, y varios otros inventores realizaron una hazaña similar utilizando diversos tipos de motores de vapor (Sylvester H. Roper utilizó un horno de combustión de carbón en 1868, Louis-Guillaume Perreaux utilizó una cámara de combustión de alcohol en 1871, Lucius Copeland acopló un motor de vapor a una bicicleta inglesa de rueda alta «farthing-penny» en 1881).
La verdadera revolución en la tecnología de las motocicletas ocurrió en 1885, cuando dos inventores alemanes Gottlieb Daimler y Wilhelm Maybach lograron producir la primera motocicleta con un motor de combustión interna de gasolina. Esta máquina llamada «Daimler Reitwagen» (carro de montar) es hoy conocida como el primer ejemplo de motocicleta moderna que conocemos y utilizamos hoy en día. Desde su aparición, muchos otros inventores e ingenieros comenzaron a hacer sus propias versiones de bicicleta con motor.
Diez años después del estreno de la «daimler reitwagen», el fabricante alemán Hildebrand & Wolfmüller» puso en marcha la primera fábrica de producción en serie de motocicletas. Su negocio inicial no consiguió mantenerse vivo durante mucho tiempo, pero las nuevas características de seguridad y el aumento de la demanda popular dieron lugar a una gran expansión de las motocicletas durante los primeros años del siglo XX. Varias empresas importantes empezaron a fabricar sus propios diseños de motocicletas, sobre todo las inglesas Royal Enfield, Triumph, la estadounidense Harley-Davidson, Indian Motorcycle Manufacturing Company y DKW (que ostentaba el récord de ser la mayor fábrica de producción de motocicletas antes de la Segunda Guerra Mundial).
Después de la Segunda Guerra Mundial, la reducción de costes, el aumento de las mejoras de ingeniería y la mejora de las redes de carreteras aseguraron el éxito generalizado de las motocicletas en todo el mundo. Las motocicletas se convirtieron en una de las principales fuentes de transporte en Asia (especialmente en las grandes ciudades) y el movimiento de los «clubes de motos» estadounidenses (junto con sus representaciones en las películas de los años 50 y 60) encendieron la imaginación de toda la población mundial. Durante la década de 1960, el dominio de los fabricantes estadounidenses e ingleses empezó a desaparecer con la aparición de varias marcas japonesas: Suzuki, Kawasaki y Yamaha. Centraron su producción en diseños de motocicletas más pequeños, baratos y eficientes, lo que les ayudó a asegurarse la mayoría del mercado mundial.
Uno de los modelos de motocicleta más populares de todos los tiempos es la «Honda Super Cub», de la que se vendieron más de 60 millones de unidades. Su dominio duró hasta los años 90, cuando varios fabricantes americanos y europeos consiguieron recuperar gran parte del mercado mundial (las marcas occidentales más populares de hoy incluyen nombres como BMW, Ducati, Victory y Harley-Davidson).
Hoy en día, las motocicletas representan una de las formas más asequibles de transporte motorizado en las vías públicas. Cada día se utilizan más de 200 millones de motocicletas en todo el mundo (junto con más de 590 millones de coches). Los países con mayor uso de motocicletas son India (37 millones de motocicletas/ciclomotores) y China (34 millones de motocicletas/ciclomotores).