縱觀電腦之歷史，操作系統與計算機硬件的發展息息相關。

操作系統之本意原為提供簡單的工作排序能力，后為輔助更新更復雜的硬件設施而漸漸演化。

從最早的批處理模式開始，分時機制也隨之出現，在多處理器時代來臨時，操作系統也隨之添加多處理器協調功能，甚至是分布式系統的協調功能。其他方面的演變也類似于此。

另一方面，在個人電腦上，個人電腦之操作系統因襲大型電腦的成長之路，在硬件越來越復雜、強大時，也逐步實踐以往只有大型電腦才有的功能。

總而言之，操作系統的歷史就是一部解決電腦系統需求與問題的歷史。

1980年代前

第一部個人電腦并沒有操作系統。這是由于早期個人電腦的建立方式（如同建造機械算盤）與效能不足以執行如此程序。

但在1947年發明了晶體管，以及莫里斯·威爾克斯（Maurice Vincent Wilkes）發明的微程序方法，使得電腦不再是機械設備，而是電子產品。系統管理工具以及簡化硬件操作流程的程序很快就出現了，且成為操作系統的基礎。

到了1960年代早期，商用電腦制造商制造了批次處理系統，此系統可將工作的建置、調度以及執行序列化。此時，廠商為每一臺不同型號的電腦創造不同的操作系統，因此為某電腦而寫的程序無法移植到其他電腦上執行，即使是同型號的電腦也不行。

到了1964年，IBM推出了一系列用途與價位都不同的大型電腦IBM System/360，大型主機的經典之作。而它們都共享代號為OS/360的操作系統（而非每種產品都用量身訂做的操作系統）。讓單一操作系統適用于整個系列的產品是System/360成功的關鍵，且實際上IBM大型系統便是此系統的后裔；為System/360所寫的應用程序依然可以在現代的IBM機器上執行！

OS/360也包含另一個優點：永久貯存設備—硬盤驅動器的面世（IBM稱為DASD（Direct access storage device））。另一個關鍵是分時概念的建立：將大型電腦珍貴的時間資源適當分配到所有使用者身上。分時也讓使用者有獨占整部機器的感覺；而Multics的分時系統是此時眾多新操作系統中實踐此觀念最成功的。

1963年，奇異公司與貝爾實驗室合作以PL/I語言建立的Multics，是激發1970年代眾多操作系統建立的靈感來源，尤其是由AT&T貝爾實驗室的丹尼斯·里奇與肯·湯普遜所建立的Unix系統，為了實踐平臺移植能力，此操作系統在1969年由C語言重寫；另一個廣為市場采用的小型電腦操作系統是VMS。

20世紀80年代

第一代微型計算機并不像大型電腦或小型電腦，沒有裝設操作系統的需求或能力；它們只需要最基本的操作系統，通常這種操作系統都是從ROM讀取的，此種程序被稱為監視程序（Monitor）。

1980年代，家用電腦開始普及。通常此時的電腦擁有8-bit處理器加上64KB內存、屏幕、鍵盤以及低音質喇叭。而80年代早期最著名的套裝電腦為使用微處理器6510（6502芯片特別版）的Commodore C64。此電腦沒有操作系統，而是以一8KB只讀內存BIOS初始化彩色屏幕、鍵盤以及軟驅和打印機。它可用8KB只讀內存BASIC語言來直接操作BIOS，并依此撰寫程序，大部分是游戲。此BASIC語言的解釋器勉強可算是此電腦的操作系統，當然就沒有內核或軟硬件保護機制了。此電腦上的游戲大多跳過BIOS層次，直接控制硬件。

早期最著名的磁盤啟動型操作系統是CP/M，它支持許多早期的微電腦，且被MS-DOS大量抄襲其功能。

最早期的IBM PC其架構類似C64。當然它們也使用了BIOS以初始化與抽象化硬件的操作，甚至也附了一個BASIC解釋器！但是它的BASIC優于其他公司產品的原因在于他有可攜性，并且兼容于任何符合IBM PC架構的機器上。這樣的PC可利用Intel-8088處理器（16-bit寄存器）尋址，并最多可有1MB的內存，然而最初只有640KB。軟式磁盤機取代了過去的磁帶機，成為新一代的儲存設備，并可在他512KB的空間上讀寫。為了支持更進一步的文件讀寫概念，磁盤操作系統（Disk Operating System，DOS）因而誕生。此操作系統可以合并任意數量的磁區，因此可以在一張磁盤片上放置任意數量與大小的文件。文件之間以檔名區別。IBM并沒有很在意其上的DOS，因此以向外部公司購買的方式取得操作系統。

1980年微軟公司利用騙術取得了與IBM的合約，并且收購了一家公司出產的操作系統，在將之修改后以MS-DOS的名義出品，此操作系統可以直接讓程序操作BIOS與文件系統。到了Intel-80286處理器的時代，才開始實作基本的儲存設備保護措施。MS-DOS的架構并不足以滿足所有需求，因為它同時只能執行最多一個程序（如果想要同時執行程式，只能使用TSR的方式來跳過OS而由程序自行處理多任務的部份），且沒有任何內存保護措施。對驅動程序的支持也不夠完整，因此導致諸如音效設備必須由程序自行設置的狀況，造成不兼容的情況所在多有。某些操作的效能也是可怕地糟糕。許多應用程序因此跳過MS-DOS的服務程序，而直接存取硬件設備以取得較好的效能。雖然如此，但MS-DOS還是變成了IBM PC上面最常用的操作系統（IBM自己也有推出DOS，稱為IBM-DOS或PC-DOS）。MS-DOS的成功使得微軟成為地球上最賺錢的公司之一。

而1980年代另一個崛起的操作系統異數是Mac OS，此操作系統緊緊與麥金塔電腦捆綁在一起。此時一位施樂帕羅奧托研究中心的員工Dominik Hagen訪問了蘋果電腦的史蒂夫·喬布斯，并且向他展示了此時施樂發展的圖形化使用者界面。蘋果電腦驚為天人，并打算向施樂購買此技術，但因帕羅奧托研究中心并非商業單位而是研究單位，因此施樂回絕了這項買賣。在此之后蘋果一致認為個人電腦的未來必定屬于圖形使用者界面，因此也開始發展自己的圖形化操作系統。現今許多我們認為是基本要件的圖形化接口技術與規則，都是由蘋果電腦打下的基礎（例如下拉式菜單、桌面圖標、拖曳式操作與雙點擊等）。但正確來說，圖形化使用者界面的確是施樂創始的。

20世紀90年代

Apple I電腦，蘋果電腦的第一代產品。延續80年代的競爭，1990年代出現了許多影響未來個人電腦市場深厚的操作系統。由于圖形化使用者界面日趨繁復，操作系統的能力也越來越復雜與巨大，因此強韌且具有彈性的操作系統就成了迫切的需求。此年代是許多套裝類的個人電腦操作系統互相競爭的時代。

上一年代于市場崛起的蘋果電腦，由于舊系統的設計不良，使得其后繼發展不力，蘋果電腦決定重新設計操作系統。經過許多失敗的項目后，蘋果于1997年釋出新操作系統——MacOS的測試版，而后推出的正式版取得了巨大的成功。讓原先失意離開蘋果的Steve Jobs風光再現。

除了商業主流的操作系統外，從1980年代起在開放原碼的世界中，BSD系統也發展了非常久的一段時間，但在1990年代由于與AT&T的法律爭端，使得遠在芬蘭赫爾辛基大學的另一股開源操作系統——Linux興起。Linux內核是一個標準POSⅨ內核，其血緣可算是Unix家族的一支。Linux與BSD家族都搭配GNU計劃所發展的應用程序，但是由于使用的許可證以及歷史因素的作弄下，Linux取得了相當可觀的開源操作系統市占率，而BSD則小得多。

相較于MS-DOS的架構，Linux除了擁有傲人的可移植性（相較于Linux，MS-DOS只能運行在Intel CPU上），它也是一個分時多進程內核，以及良好的內存空間管理（普通的進程不能存取內核區域的內存）。想要存取任何非自己的內存空間的進程只能通過系統調用來達成。一般進程是處于使用者模式（User mode）底下，而執行系統調用時會被切換成內核模式（Kernel mode），所有的特殊指令只能在內核模式執行，此措施讓內核可以完美管理系統內部與外部設備，并且拒絕無權限的進程提出的請求。因此理論上任何應用程序執行時的錯誤，都不可能讓系統崩潰（Crash）。

另一方面，微軟對于更強力的操作系統呼聲的回應便是Windows NT于1999年的面世。

1983年開始微軟就想要為MS-DOS建構一個圖形化的操作系統應用程序，稱為Windows（有人說這是比爾·蓋茲被蘋果的Lisa電腦上市所刺激）。

一開始Windows并不是一個操作系統，只是一個應用程序，其背景還是純MS-DOS系統，這是因為當時的BIOS設計以及MS-DOS的架構不甚良好之故。

在1990年代初，微軟與IBM的合作破裂，微軟從OS/2（早期為命令行模式，后來成為一個很成功但是曲高和寡的圖形化操作系統）項目中抽身，并且在1993年7月27日推出Windows 3.1，一個以OS/2為基礎的圖形化操作系統。

并在1995年8月15日推出Windows 95。

直到這時，Windows系統依然是建立在MS-DOS的基礎上，因此消費者莫不期待微軟在2000年所推出的Windows 2000上，因為它才算是第一個脫離MS-DOS基礎的圖形化操作系統。

下面的表格為Windows NT系統的架構：在硬件階層之上，有一個由微內核直接接觸的硬件抽象層（HAL），而不同的驅動程序以模塊的形式掛載在內核上執行。因此微內核可以使用諸如輸入輸出、文件系統、網絡、信息安全機制與虛擬內存等功能。而系統服務層提供所有統一規格的函數調用庫，可以統一所有副系統的實作方法。例如盡管POSⅨ與OS/2對于同一件服務的名稱與調用方法差異甚大，它們一樣可以無礙地實作于系統服務層上。在系統服務層之上的副系統，全都是使用者模式，因此可以避免使用者程序執行非法行動。

第一個實作的副系統群當然是以前的微軟系統。DOS副系統將每個DOS程序當成一進程執行，并以個別獨立的MS-DOS虛擬機器承載其運行環境。另外一個是Windows 3.1模擬系統，實際上是在Win32副系統下執行Win16程序。因此達到了安全掌控為MS-DOS與早期Windows系統所撰寫之舊版程序的能力。然而此架構只在Intel 80386處理器及后繼機型上實作。且某些會直接讀取硬件的程序，例如大部分的Win16游戲，就無法套用這套系統，因此很多早期游戲便無法在Windows NT上執行。

Windows NT有3.1．3.5．3.51與4.0版。

Windows 2000是Windows NT的改進系列（事實上是Windows NT 5.0）、Windows XP（Windows NT 5.1）以及Windows Server 2003（Windows NT 5.2）與Windows Vista（Windows NT 6.0）也都是立基于Windows NT的架構上。

而本年代漸漸增長并越趨復雜的嵌入式設備市場也促使嵌入式操作系統的成長。

現代操作系統通常都有一個使用的繪圖設備的圖形化使用者界面，并附加如鼠標或觸控面版等有別于鍵盤的輸入設備。舊的OS或效能導向的服務器通常不會有如此親切的接口，而是以命令行接口（CLI）加上鍵盤為輸入設備。以上兩種接口其實都是所謂的殼，其功能為接受并處理使用者的指令（例如按下一按鈕，或在命令提示列上鍵入指令）。

選擇要安裝的操作系統通常與其硬件架構有很大關系，只有Linux與BSD幾乎可在所有硬件架構上執行，而Windows NT僅移植到了DEC Alpha與MIPS Magnum。

在1990年代早期，個人電腦的選擇就已被局限在Windows家族、類Unix家族以及Linux上，而以Linux及Mac OS X為最主要的另類選擇，直至今日。

大型機與嵌入式系統使用很多樣化的操作系統。大型主機有許多開始支持Java及Linux以便共享其他平臺的資源。嵌入式系統百家爭鳴，從給Sensor Networks用的Berkeley Tiny OS到可以操作Microsoft Office的Windows CE都有。

2000年以后

至2005年為止，用于通用計算機上的分布的操作系統主要兩個家族：類Unix家族和微軟Windows家族。而主機系統和嵌入式操作系統使用多樣的系統，并且很多和Windows、Unix都沒有直接的聯系。類Unix家族包括多個組織的操作系統，其中有幾個主要的子類包括System V、BSD和Linux。這里‘Unix’是一個商標，開發組織允許使用操作系統在一個定義前提下自由地開發。這名字是通用大型設置操作系統類似組織 Unix。Unix系統運行在從巨型機到嵌入式系統的多種機器架構上。Unix主要使用于重要的商務服務器系統以及學院和工程環境中的工作站之上。和 AT&T Unix不同，自由軟件比如Linux和BSD逐步開始流行，并且開始進入桌面操作系統領域。和一些Unix操作系統不同，像惠普公司的HPUX和IBM 公司的AⅨ是設計僅運行在客戶購買的設備上，其中有一些特殊的（比如SUN公司的Solaris）可以運行在客戶購買設備和基于工業標準的PC上。APPLE公司的Mac OS X是一個BSD特例，以取代早期小型市場上的蘋果公司Mac OS，眾多流行的Unix操作系統正在走向一體。微軟公司的Windows操作系統家族起源于早期的IBM PC環境中的MS-DOS，最新版本是基于新的Windows NT內核，第一次是在OS/2中制定。和Unix不同，Windows只能運行在32位和64位的x86 CPU（如Intel或者AMD的芯片）上，盡管早期有版本運行于DEC Alpha，MIPS 和 PowerPC體系結構。今天Windows是一個流行的操作系統，在全球桌面市場中占有90%左右的份額，同時在中低端服務器市場也有廣泛的應用，如 Web服務器和數據庫服務器。

大型機系統，比如IBM公司的Z/OS，和嵌入式操作系統比如QNX、eCOs和PalmOS都是和Unix和Windows無關的操作系統，而 Windows CE、Windows NT Embedded 4.0和Windows XP Embedded都是和Windows相關的。

老的操作系統停留在市場包括類似IBM Windows的OS/2．來自惠普的VMS（以前的DEC）；蘋果公司的Mac OS操作系統、非Unix先驅蘋果公司Mac OS X，以及AmigaOS，第一個圖形用戶界面的操作系統，包括對于普通用戶的高級的多媒體能力。