天然高分子材料的工業應用和合成高分子材料的出現，使人們對這些材料的認識不斷深入，催生了高分子科學的誕生。1833年，Berzelius提出“Polymer”一詞，其含義為包括以共價鍵、非共價鍵連接的聚集體。1870年開始意識到纖維、澱粉和蛋白質是大的分子。1907年提出分子膠體概念，人們對高分子結構的認識還處於蒙昧階段。直到1920年，H.Staudinger發表了他劃時代的著作“論聚合”，論證了聚合過程是大量的小分子自己結合起來的過程，才使人們突破了膠體締合的思維桎梏。1932年，Staudinger進一步提出了溶液黏度與相對分子質量的關係式，相對分子質量的準確測量等實驗事實有力地證明了大分子的存在，標誌著高分子科學的誕生。隨著高分子概念的確立，一大批合成材料被生產出來並迅速商品化。如1931～1940年期間，作為塑料的聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚三氟氯乙烯、高壓聚乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛的生產；1938～1940年，聚酰胺和聚酯纖維的生產以及1931～1942年氯丁橡膠、丁基橡膠和丁苯橡膠的生產。20世紀50年代是高分子合成大發展的時期，其標誌性成果是德國人齊格勒(Karl Ziegler)與意大利人納塔(Giulio Natta)發明了配位陰離子聚合，分別用金屬絡合催化劑合成了聚乙烯與聚丙烯。這一時期前後，幾乎所有被稱為大品種的高分子(包括有機矽等)都陸續投入了生產。20世紀60年代是高分子物理大發展時期。1960～1969年，結晶高分子、高分子黏彈性、高分子流變學的研究進一步開展，各種近代研究方法，如NMR，GPC，IR，熱譜，電鏡等手段在高分子結構研究中逐漸應用。20世紀70年代，高分子工程科學得到大發展，高分子材料的生產走向高效化、自動化和大型化，表現為大型聚合反應設備及新工藝的使用和大型加工設備的出現，同時，高分子共混物及共混理論迅速發展。20世紀80年代，高性能材料和高分子的功能被廣泛研究，精細高分子、功能高分子、生物醫學高分子得到發展。20世紀90年代後，高分子材料發展的主要趨勢是高性能化、高功能化、複合化、精細化和智能化。
高分子科學的研究成果孕育和保證了高分子材料的開發，各種新型高分子材料的研製和開發又反過來推動和促進了高分子科學的深化，使其發展到更高的水平。現在高分子科學已經形成了高分子化學、高分子物理、高分子工程三個領域。其中，高分子化學是高分子科學的反應理論基礎，主要研究高分子化合物的分子設計、合成、改性等內容，擔負著為高分子科學提供新化合物、新材料的任務。高分子物理是高分子科學的結構理論基礎，主要研究高分子材料的結構與性能的關係，通過研究分子運動來揭示材料結構與性能之間內在聯係以及它們的基本規律，從而對高分子材料的合成、成型加工、測試、改性提供理論依據。高分子工程包括聚合反應工程和聚合物加工工程，前者主要研究聚合反應方法、聚合工藝，後者主要研究各種材料所適應的加工方法和加工工藝，二者都是直接為生產服務的，可見，高分子工程是高分子科學和高分子工業之間的銜接點。隨著生產和科學技術的發展，材料要適應各種各樣新的要求，高分子化學、高分子物理、高分子工程這三個分支不斷交融、相互促進，使高分子科學發展成為一門研究內容極其豐富，研究範圍更加廣闊的整體學科。