Первые систематические наблюдения за твёрдыми телами относятся к античной натурфилософии, где особое внимание уделялось кристаллам и минералам. Уже в трудах Теофраста и Плиния Старшего встречаются описания свойств драгоценных камней, металлов и их сплавов. Эти наблюдения носили в основном эмпирический характер и были тесно связаны с ремесленной практикой — металлургией, стеклоделием, обработкой минералов.
В эпоху алхимии внимание сместилось к поиску способов трансформации твёрдых веществ. Алхимики рассматривали металлы как особые тела, подверженные «созреванию», и пытались постичь их внутреннюю структуру. Несмотря на мистический характер таких воззрений, именно тогда закладывались первые представления о внутреннем устройстве твёрдого вещества.
С XVII века начинается систематическое изучение геометрии кристаллов. Николас Стено установил закон постоянства углов между гранями кристаллов, что стало отправной точкой кристаллографии как науки. В XVIII веке Рене Жюст Гаюи сформулировал идею о том, что кристаллы построены из «элементарных параллелепипедов», и ввёл понятие кристаллической решётки. Эти работы впервые связали внешнюю форму вещества с его внутренним строением.
С развитием химии Лавуазье и Дальтона идеи атомного строения вещества стали проникать и в область твёрдого состояния. Возникло представление о том, что кристаллы — это упорядоченные образования атомов или молекул. Огромное значение имели работы Огюстена Брavais, который разработал классификацию пространственных решёток. В середине XIX века была выделена система 14 решёток Браве, которая до сих пор лежит в основе кристаллографического анализа.
К концу XIX века появились первые модели металлической связи, объясняющие свойства металлов через «электронный газ», и начались исследования проводимости твёрдых тел. Фундаментальные открытия Джеймса Клерка Максвелла и развитие термодинамики позволили рассматривать твёрдые тела с позиций энергетики.
Прорыв произошёл в 1912 году, когда Макс фон Лауэ открыл явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. Это стало прямым доказательством атомной упорядоченности в твёрдых телах. Вскоре Уильям и Лоуренс Брэгги разработали методику анализа кристаллических структур, позволившую экспериментально определять расположение атомов.
Параллельно формировалась квантовая механика, ставшая фундаментом современной химии твёрдого тела. Работы Шрёдингера, Гейзенберга и Борна объяснили природу химической связи и взаимодействие атомов в кристаллической решётке. В 1930-е годы появились первые квантовые модели твёрдых тел — теория зонной структуры Блоха и теория валентных связей Полинга.
Химия твёрдого тела в середине XX века приобрела междисциплинарный характер, объединяя химию, физику и материаловедение. Развитие методов синтеза и анализа позволило получать и исследовать новые классы веществ: полупроводники, ферриты, сверхпроводники. Создание транзистора в 1947 году стало поворотным моментом: именно благодаря пониманию свойств твёрдых тел возникла современная микроэлектроника.
Особое место заняли исследования дефектов в кристаллах, дислокаций и аморфных структур. Оказалось, что именно несовершенства решётки во многом определяют механические, электрические и магнитные свойства вещества.
В конце XX и начале XXI века химия твёрдого тела вышла на уровень целенаправленного конструирования материалов. Методы компьютерного моделирования и квантово-химических расчётов позволяют предсказывать свойства твёрдых тел ещё до их синтеза. Большое внимание уделяется наноструктурированным материалам, двумерным кристаллам, метаматериалам и топологическим изоляторам.
Историческое развитие этой области науки показывает, как от наблюдений внешней формы кристаллов человечество пришло к управлению атомной архитектурой вещества, что стало одной из важнейших основ современной химии и технологии материалов.