1766年，一群修士在修复达芬奇在1490年作的手稿的时候，发现最早的自行车雏型，但并没有实际的制造出来，只停在想像的阶段。
法国人西夫拉克（Comte de Sivrac）在一个下雨天，在街头被经过的四轮马车溅了一身泥，这一溅使他突发奇想：四轮马车这么宽，应当把马车顺着切掉一半，四个车轮变成前后两个车轮……。于是在1791年，第一架代步的“木马轮”小车诞生了。这辆小车有前后两个木质的车轮，中间连着横梁，上面安了一条板凳，像一个玩具。这辆“木马轮”虽然既没有传动链条，又无转向装置，但一般被认为是人类最早的自行车。
1817年，德国卡尔德莱斯（Karl Drais）也制做了一辆两轮车，他在前轮上加上了一个控制方向的车把，可以改变前进的方向。但是骑车时依然要用两只脚蹬地，才能推动车子向前滚动。1840年，苏格兰的铁匠麦克米伦（Kirkpatrick Macmillan），在德莱斯发明的木轮车的基础上进行改进。他在后轮的车轴上装上曲柄，再用连杆把曲柄和前面的脚蹬连接起来，并且前后轮都用铁制，前轮大，后轮小。这样人的双脚终于真正离开地面，由双脚的交替踩动带动轮子滚动车辆前行。1842年，麦克米伦骑上这种车，一天行走了20公里。
1861年，法国的米肖父子Pierre Michaux和Pierre Lallement，在前轮上安装了能转动的脚蹬板，车子的鞍座架在前轮上面。他们把这辆车冠以“自行车”的雅名，并1867年在巴黎博览会上展出。
从西夫拉克一直到米肖父子，他们制做的自行车与现代自行车差别较大，这种不带链条传动系统的自行车为了提高速度只能通过提高前轮的直径来实现，由此造成车辆极高，前轮的直径甚至超过了普通人的身高，骑自行车变成了一项相当危险的运动，当骑行者摔倒在地的时候往往会受伤。真正具有现代化形式的自行车在1874年诞生。英国人罗松在自行车上别出心裁地装上链条和链轮，用后轮的转动来推动车子前进。
1886年英国的机械工程师约翰·斯塔利，从机械学、运动学的角度设计出了新的自行车样式，装上前叉和车闸，前后轮大小相同，以保持平衡，并用钢管制成了菱形车架，还首次使用了橡胶车轮。斯塔利不仅改进了自行车的结构，还改制了许多生产自行车部件用的机床，为自行车的大量生产和推广应用开辟了宽阔的道路，因此他被后人称为“自行车之父”。他所设计的自行车车型与今天自行车的样子已经基本一致了。
1888年，爱尔兰的兽医约翰·登禄普，从医治牛胃气膨胀中得到启示，将自家花园用来浇水的橡胶管粘成圆形并打足气装在自行车上，这是充气轮胎的开端。充气轮胎是自行车发展史上的一个划时代的创举，这从根本上改善了自行车的行驶舒适性。
1970年，登山用途的自行车出现﹐自行车的另外一项划时代发明"变速器"因此被创造出来。
自行车何时传入中国？
自行车大约于1875年传入中国，自行车最初称为“洋马儿”。对中国人来说，“洋马儿”是新奇的事物。在当时的刊物《点石斋画报》就好几次把外国人骑自行车当成了新闻。
1922年中华民国时期，逊位皇帝溥仪结婚时，他的堂哥溥佳送了他一部自行车。有大臣狠狠地骂了溥佳一顿，说不应该把这危险的东西给皇帝。但溥仪没有理会大臣的反对，只不过十几天便学会了骑自行车，成为了中国历史上唯一一位懂骑自行车的中国皇帝。据说，溥仪曾因为要骑自行车而把皇宫中的所有门槛也拆除了。
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