关于蒸汽机转速不稳定的难题早已引起众多杰出科学家们的关注。值得铭记的是，1868年，英国物理学界的巨擘麦克斯韦尔（J·C·Maxwell）凭借他对电磁波理论的卓越贡献，成功地将蒸汽机的调速过程转化为一个线性微分方程的问题。他明晰地指出，如果对应的微分方程特征值位于复平面的左侧，那么这个系统便是稳定的；反之，如果这些特征值落入右侧，则系统便处于不稳定状态，从而导致蒸汽机转速的波动。
1877年，麦克斯韦尔的得意门生劳斯（E·Routh）找寻到一种依据微分方程系数来判定系统稳定性的方法，这便是在自动控制理论领域广为人知的劳斯判据。
同样在1876年，来自俄罗斯的维斯聂格拉斯基（J·A·Vyschnegradsky）在实际蒸汽机研发过程中，成功解决了如何选取适当参数以确保其转速稳定的问题。然而，当时的研究人员由于无法找到问题的症结所在，甚至已经做好了放弃的打算。
1895年，德国的霍尔维茨（A·Hurwitz）在处理瑞士达沃斯电厂一台蒸汽机的调速系统设计时，运用了稳定性理论。他还独立地提出了霍尔维茨判据，霍尔维茨当时担任苏黎世工业大学的数学教授，并曾担任爱因斯坦的数学导师。
进入20世纪，随着通信技术及电子技术的飞速发展，战争以及工业需求也成为推动自动控制技术与自动控制理论蓬勃发展的强大动力。
1927年，美国贝尔实验室的布莱克（H·Black）巧妙地运用负反馈原理设计出电子管放大器，成功解决了电话长距离传输过程中信号畸变的问题。然而，当信号畸变问题得以解决之后，又出现了放大器振荡引发的声音尖叫现象（即系统不稳定）。由于微分方程的阶数常常较高（有时可高达50阶），使得Routh判据的实用性大打折扣。
然而，贝尔实验室的工程师们由于具备深厚的通信背景，对于频域方法驾轻就熟。1932年生于瑞典而后移民至美国的奈奎斯特（H·Nyquist）发表论文，采用图形化的方法来判断系统的稳定性。在此基础之上，伯德（H·W·Bode）等学者构建了一套在频域范围内设计反馈放大器的方法。这套方法后来也被广泛运用于自动控制系统的分析与设计。
与此同时，反馈控制原理开始在工业过程中得到应用。1936年，英国的考伦德（A·Callender）和斯蒂文森（A·Stevenson）等人提出了PID控制器的方法。PID（P，Proportional，比例；I，Integrative，积分；D，Derivative，微分）控制作为自动控制技术中的重要组成部分，其含义在于将经由反馈环节获取的误差信号分别进行比例、积分和微分运算后再进行叠加，最终得出控制器的输出信号。这种控制方式适用于诸多被控对象，至今仍在大部分自动控制系统中发挥着不可或缺的作用。
1942年，哈里斯(H·Harris)首次引介了传递函数的重要概念。随后于1948年，伊万斯(W·R·Evans)在对飞机导航和控制过程中的问题进行处理时，发现使用频域方法存在诸多困难，于是他转而回归特征方程的思维方式，并在此基础上提出了著名的根轨迹法。
同年，数学巨匠维纳(N·Wiener)的著作《控制论》(CYBERNETICS)的问世，标志着控制论作为一门独立学科的正式诞生。这部作品的发表被广泛视为自动控制科学发展历程中的一座重要里程碑。
在那个时期，自动控制理论的主要数学工具包括微分方程、复变函数以及拉普拉斯氏变换等。
因此，自20世纪50年代起，历经数年之后，一套创建在系统分析与设计过程中，运用频率域方法(即经典控制理论)，采用PID控制策略，利用模拟电子技术(主要涉及电子管及交磁放大机)构建控制器的自动控制技术已初步成型。尤其值得一提的是，战争(如火炮控制、飞机飞行控制、雷达控制等)、通信以及工业生产等领域，均成为推动自动控制技术发展的主要动力源泉。
自20世纪50年代至60年代期间，随着第二次世界大战的落幕以及冷战序幕的拉开，东西方两大阵营在航天和航空领域展开激烈角逐，从而引发了关于飞机、导弹以及航天器控制问题的深入探讨。在飞机或火箭燃料有限的情况下，如何精确控制航天器、飞行器的运动轨迹，同时实现节约燃料、缩短飞行时间等目标，催生了最优控制理论的蓬勃发展。
在这个关键时期，众多杰出的数学家纷纷投身于自动控制理论的研究工作之中。自动控制科学家们从力学领域引入了状态空间的全新概念。来自前苏联的数学家庞特利亚金提出了极值原理的重要理论。来自美国的数学家贝尔曼(R·Bellman)则针对应用动态规划理论解决有约束的最优控制问题进行了深入探讨。匈牙利籍的美国数学家卡尔曼(R·E·Kalman)更是创立了基于线性二次型性能指标的最优控制问题，并提出了举世闻名的Kalman滤波理论。在这段时间里，自动控制理论的主要数学工具涵盖了一次微分方程组、矩阵论、泛函分析、状态空间法等多个方面；主要研究方法包括变分法、极大值原理、动态规划理论等多种途径；重点研究方向集中在最优控制、随机控制以及自适应控制等领域。尽管在技术层面仍以电子管为核心构建电路为主导，但电子计算机的逐渐普及以及晶体管步入实际应用阶段，无疑为自动控制理论的发展注入了新的活力。人们普遍认为，自此自动控制理论逐步迈入了“现代控制理论”的崭新阶段。
