原始社會時期，原始人在生活實踐中就感知到了二氧化碳的存在，但由于歷史條件的限制，他們把看不見、摸不著的二氧化碳看成是一種殺生而不留痕跡的兇神妖怪而非一種物質(zhì)。

3世紀時，中國西晉時期的張華（232年－300年）在所著的《博物志》一書記載了一種在燒白石（CaCO3）作白灰（CaO）過程中產(chǎn)生的氣體，這種氣體便是如今工業(yè)上用作生產(chǎn)二氧化碳的石灰窯氣。

17世紀初，比利時醫(yī)生海爾蒙特（即揚·巴普蒂斯塔·范·海爾蒙特，Jan Baptista van Helmont，1580年－1644年）發(fā)現(xiàn)木炭燃燒之后除了產(chǎn)生灰燼外還產(chǎn)生一些看不見、摸不著的物質(zhì)，并通過實驗證實了這種被他稱為“森林之精”的二氧化碳是一種不助燃的氣體，確認了二氧化碳是一種氣體；還發(fā)現(xiàn)燭火在該氣體中會自然熄滅，這是二氧化碳惰性性質(zhì)的第一次發(fā)現(xiàn)。不久后，德國化學家霍夫曼（即弗里德里希·霍夫曼，F(xiàn)riedrich Hoffmann，1660年－1742年）對被他稱為“礦精（spiritus mineralis）”的二氧化碳氣體進行研究，首次推斷出二氧化碳水溶液具有弱酸性。

1756年，英國化學家布萊克（即約瑟夫·布萊克，Joseph Black，1728年－1799年）第一個用定量方法研究了被他稱為“固定空氣”的二氧化碳氣體，二氧化碳在此后一段時間內(nèi)都被稱作“固定空氣”。

1766年，英國科學家卡文迪許（即亨利·卡文迪許，Henry Cavendish，1731年－1810年）成功地用汞槽法收集到了“固定空氣”，并用物理方法測定了其比重及溶解度，還證明了它和動物呼出的和木炭燃燒后產(chǎn)生的氣體相同。

1772年，法國科學家拉瓦錫（即安托萬-洛朗·拉瓦錫，Antoine-Laurent de Lavoisier，1743年－1794年）等用大火鏡聚光加熱放在汞槽上玻罩中的鉆石，發(fā)現(xiàn)它會燃燒，而其產(chǎn)物即“固定空氣”。同年，科學家普里斯特利（即約瑟夫·普里斯特利，Joseph Priestley，1733年－1804年）研究發(fā)酵氣體時發(fā)現(xiàn)：壓力有利于“固定空氣”在水中的溶解，溫度增高則不利于其溶解。這一發(fā)現(xiàn)使得二氧化碳能被應用于人工制造碳酸水（汽水）。 

1774年，瑞典化學家貝格曼（即托貝恩·奧洛夫·貝格曼，Torbern Olof Bergman，1735年－1784年）在其論文《研究固定空氣》中敘述了他對“固定空氣”的密度、在水中的溶解性、對石蕊的作用、被堿吸收的狀況、在空氣中的存在、水溶液對金屬鋅、鐵的溶解作用等的研究成果。 

1787年，拉瓦錫在發(fā)表的論述中講述將木炭放進氧氣中燃燒后產(chǎn)生的“固定空氣”，肯定了“固定空氣”是由碳和氧組成的，由于它是氣體而改稱為“碳酸氣”。同時，拉瓦錫還測定了它含碳和氧的質(zhì)量比（碳占23.4503%，氧占76.5497%），首次揭示了二氧化碳的組成。 

1797年，英國化學家坦南特（即史密森·坦南特，Smitbson Tennant，1761年－1815年，  又譯“臺耐特”  等）用分析的方法測得“固定空氣”含碳27.65%、含氧72.35%。

1823年，英國科學家法拉第（即邁克爾·法拉第，Michael Faraday，1791年－1867年）發(fā)現(xiàn)加壓可以使“碳酸氣”液化。同年，法拉第和戴維（即漢弗里·戴維，Humphry Davy，1778年－1829年，又譯“笛彼”）首次液化了“碳酸氣”。

1834年或1835年，德國人蒂羅里爾（即阿德里安·讓·皮埃爾·蒂羅里爾，Adrien-Jean-Pierre Thilorier，1790年－1844年，又譯“蒂洛勒爾”、“狄勞里雅利”   、“奇洛列”   等）成功地制得干冰（固態(tài)二氧化碳）。 

1840年，法國化學家杜馬（即讓-巴蒂斯特·安德烈·杜馬，Jean-Baptiste André Dumas，1800年－1884年）把經(jīng)過精確稱量的含純粹碳的石墨放進充足的氧氣中燃燒，并且用氫氧化鉀溶液吸收生成的“固定空氣”，計算出“固定空氣”中氧和碳的質(zhì)量分數(shù)比為72.734：27.266。此前，阿伏伽德羅（即阿莫迪歐·阿伏伽德羅，Amedeo Avogadro，1776年8月9日—1856年7月9日）于1811年提出了假說——“在同一溫度和壓強下，相同體積的任何氣體都含有相同數(shù)目的分子。”化學家們結(jié)合氧和碳的原子量得出“固定空氣”中氧和碳的原子個數(shù)簡單的整數(shù)比是2：1，又以阿伏伽德羅于1811年提出的假說為依據(jù)，通過實驗測出“固定空氣”的分子量為44，從而得出“固定空氣”的化學式為CO2，與此化學式相應的名稱便是“二氧化碳”。

1850年，愛爾蘭物理化學家安德魯斯（即托馬斯·安德魯斯，Thomas Andrews，1813年－1885年）開始對二氧化碳的超臨界現(xiàn)象進行研究，并于1869年測定了二氧化碳的兩個臨界參數(shù)：超臨界壓強為7.2MPa，超臨界溫度為304.065K（二者在2013年的公認值分別為7.375MPa和303.05K）。 

1896年，瑞典化學家阿累尼烏斯（即斯萬特·奧古斯特·阿累尼烏斯，Svante August Arrhenius，1859年－1927年）通過計算指出，大氣中二氧化碳濃度增加一倍，可使地表溫度上升5～6℃。

1950年－1952年間，蘇聯(lián)的柳巴夫斯基（K. B. Любавский）、諾沃日洛夫（H. M. Новожилов）與日本的關(guān)口春次郎分別研究了一種在二氧化碳保護氣體中使用的焊絲，并提出了焊接鋼材的新的冶金方案。  隨之，1953年，柳巴夫斯基等人發(fā)明了二氧化碳氣體保護焊。