沼气作为自然界普遍存在的厌氧生化反应产物，在多个古代文明中有零星记载，沼气也被一些先民作为燃料之用。近代对沼气的研究为使用厌氧生化反应处理废弃物提供了基础。1808年英国化学家H.戴维（Humphry Davy，1778～1829）研究了牛粪产生的沼气，是较早的研究废弃物产生沼气的记录。1868年法国贝张珀（Bechamp）指出沼气是由微生物引发的。1881年法国L.莫依哥罗（Louis Mouras）研制成功以他本人命名的利用厌氧生化反应处理废水的“自动净化器”。1895年英国卡麦龙（Cameron）在埃克塞特市建造类似莫依哥罗自动净化器的装置处理生活污水，产生的沼气用于采暖照明，装置被命名为“化粪池”。此后，这些厌氧消化技术在处理生活污水和养殖业废物废水方面得到一定应用。但随着20世纪20年代后活性污泥法的发展成熟，当时厌氧消化法较低的处理能力显出了劣势，活性污泥法逐渐成为污水处理的主流。

20世纪对厌氧消化的改进方向之一为筛选高效厌氧消化菌种。1903年法国巴斯德研究所分离出一种产甲烷的微球菌。1916年俄国V.L.奥梅梁斯基（V.L.Omeliansky）分离出以乙醇为原料产甲烷的奥氏甲烷杆菌（后来证实不是一个纯种）。1936年美国生物学家H.A.巴克（H.A.Barker）指出厌氧发酵分成产酸和产甲烷两阶段，并对前人分离出的不同菌种进行了重新鉴定分离和命名。1950年美国微生物学家R.E.亨盖特（Robert E.Hungate，1906～2004）提出厌氧培养技术，进一步推动了厌氧消化菌种的研究，多种相关菌种被分离鉴定出来。另一方向是优化工艺。受到活性污泥法启发，工艺改进将重点放在提高厌氧微生物在反应器中的保有量和活性方面。第二次世界大战后，受城市和工业有机废水废物大量处理需求的刺激，厌氧消化法的发展形成一次小高潮，主要体现在工艺方式的改进。

进入20世纪60年代末70年代初，受到能源价格上涨和石油危机的刺激，厌氧消化技术因其回收沼气能源的特点得到新的关注，研究工作进入新一轮快速发展阶段。1971年荷兰科学家G.莱廷格（G.Lettinga）等人发现厌氧颗粒污泥并以此为基础发展了上流式厌氧污泥床技术，1977年美国学者F.G.波兰特（F.G.Pohland）和S.戈什（S.Ghosh）等人以厌氧消化两阶段理论为基础发展起来的两相消化工艺进入中试应用阶段。这一时期发展起来的厌氧消化技术后来被称为第二代厌氧装置，与50年代及之前的传统厌氧装置有很大区别。此后，厌氧污泥膨化床等新工艺不断出现，厌氧消化法的应用也扩大到处理各种传统工艺难以处理的废水废物，并且在90年代初可持续发展理念的推动下在全球稳步地发展并推广开来，成为高浓度有机废水和有机固体废物处理的主流技术。

中国古代便有利用沼气的传统，但主要利用其作为燃料来源。中国可称为现代意义的厌氧消化研究可追溯到1921年台湾地区罗国瑞研制成功的水压式沼气装置“中华国瑞天然瓦斯库”，此后在中国南方省份大量推广。1957年中国开始在第一个“五年计划”中重建了一批沼气装置，并在全国大力推广经验。改革开放后，中国大力引进西方成熟的厌氧消化技术，特别是在1986年开始的“七五”国家科技攻关计划中“高浓度有机废水的厌氧生物处理技术”等重大课题的推动下，作为水处理技术得到快速发展。

厌氧消化法的重新兴起反映了环境科学家及相关工程技术人员对环境问题的理解从单纯的污染物治理转向追求可持续发展和综合环境效益的重要变化。

英国诺丁汉郡斯托克巴道夫公司运营的能源作物厌氧消化工厂