1766年，一群修士在修復達芬奇在1490年作的手稿的時候，發現最早的自行車雛型，但並沒有實際的製造出來，只停在想像的階段。
法國人西夫拉克（Comte de Sivrac）在一個下雨天，在街頭被經過的四輪馬車濺了一身泥，這一濺使他突發奇想：四輪馬車這麼寬，應當把馬車順著切掉一半，四個車輪變成前後兩個車輪……。於是在1791年，第一架代步的“木馬輪”小車誕生了。這輛小車有前後兩個木質的車輪，中間連著橫樑，上面安了一條板凳，像一個玩具。這輛“木馬輪”雖然既沒有傳動鏈條，又無轉向裝置，但一般被認為是人類最早的自行車。
1817年，德國卡爾德萊斯（Karl Drais）也製做了一輛兩輪車，他在前輪上加上了一個控制方向的車把，可以改變前進的方向。但是騎車時依然要用兩隻腳蹬地，才能推動車子向前滾動。1840年，蘇格蘭的鐵匠麥克米倫（Kirkpatrick Macmillan），在德萊斯發明的木輪車的基礎上進行改進。他在後輪的車軸上裝上曲柄，再用連桿把曲柄和前面的腳蹬連接起來，並且前後輪都用鐵製，前輪大，後輪小。這樣人的雙腳終於真正離開地面，由雙腳的交替踩動帶動輪子滾動車輛前行。1842年，麥克米倫騎上這種車，一天行走了20公里。
1861年，法國的米肖父子Pierre Michaux和Pierre Lallement，在前輪上安裝了能轉動的腳蹬板，車子的鞍座架在前輪上面。他們把這輛車冠以“自行車”的雅名，並1867年在巴黎博覽會上展出。
從西夫拉克一直到米肖父子，他們製做的自行車與現代自行車差別較大，這種不帶鏈條傳動系統的自行車為了提高速度只能通過提高前輪的直徑來實現，由此造成車輛極高，前輪的直徑甚至超過了普通人的身高，騎自行車變成了一項相當危險的運動，當騎行者摔倒在地的時候往往會受傷。真正具有現代化形式的自行車在1874年誕生。英國人羅松在自行車上別出心裁地裝上鍊條和鏈輪，用後輪的轉動來推動車子前進。
1886年英國的機械工程師約翰·斯塔利，從機械學、運動學的角度設計出了新的自行車樣式，裝上前叉和車閘，前後輪大小相同，以保持平衡，並用鋼管制成了菱形車架，還首次使用了橡膠車輪。斯塔利不僅改進了自行車的結構，還改制了許多生產自行車部件用的機床，為自行車的大量生產和推廣應用開闢了寬闊的道路，因此他被後人稱為“自行車之父”。他所設計的自行車車型與今天自行車的樣子已經基本一致了。
1888年，愛爾蘭的獸醫約翰·登祿普，從醫治牛胃氣膨脹中得到啟示，將自家花園用來澆水的橡膠管粘成圓形並打足氣裝在自行車上，這是充氣輪胎的開端。充氣輪胎是自行車發展史上的一個劃時代的創舉，這從根本上改善了自行車的行駛舒適性。
1970年，登山用途的自行車出現﹐自行車的另外一項劃時代發明"變速器"因此被創造出來。
自行車何時傳入中國？
自行車大約於1875年傳入中國，自行車最初稱為“洋馬兒”。對中國人來說，“洋馬兒”是新奇的事物。在當時的刊物《點石齋畫報》就好幾次把外國人騎自行車當成了新聞。
1922年中華民國時期，遜位皇帝溥儀結婚時，他的堂哥溥佳送了他一部自行車。有大臣狠狠地罵了溥佳一頓，說不應該把這危險的東西給皇帝。但溥儀沒有理會大臣的反對，只不過十幾天便學會了騎自行車，成為了中國歷史上唯一一位懂騎自行車的中國皇帝。據說，溥儀曾因為要騎自行車而把皇宮中的所有門檻也拆除了。
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