（一）初創期
日本動漫中的機器人題材作品，最初也是受到美國科幻的影響，具有同人類相似的體態和自主性的人工智能。其中，最典型的就是手冢治虫創作的《鐵臂阿童木》和藤子·F·不二雄的《哆啦A夢》。不過，由於主要面向青少年受眾群體，這些作品並沒有像美式機器人科幻把主題設定於科學哲學和倫理學命題，而是著力刻畫了科技賦予機器人的強大能力（阿童木的十萬馬力、七大神力）以及給生活帶來的便利性（哆啦A夢的四次元口袋）。
然而，除這些典型的機器人題材作品之外，日本動漫創作者卻在不斷放大機體的同時，降低了人工智能的程度，使之由角色逐漸蛻變為道具，最終形成了區別於機器人題材的全新機甲題材創作範式。當然，在當時，機甲的概念遠未成熟，所以此類作品經常被稱為“超級機器人”動漫。
這個過程的起點是橫山光輝的《鐵人28》，在這部作品中出現了巨大的戰鬥型機器人，但鐵人28仍然不是嚴格意義上的機甲，因為它必須要依靠遙控器在外部進行操作，類似於今天的遙控機器人或無人機。
第一部真正意義上的機甲動漫是《魔神Z》。該作由永井豪原創，東映動畫製作，1972年首播。之所以將該作視為機甲動漫的開山之作，是因為這是第一部在設定中採用讓駕駛員進入到巨大機器人機體的內部進行操控，並將機甲作為武器使用的動漫。後來的機甲動漫無不遵循這一基本模式。同時，該作中還有很多情節設計為後來的同類題材作品反覆使用。
同時，《魔神Z》也是系列化機甲動漫的開端。作為姊妹篇的《大魔神》和《UFO機器人古連泰沙》接力播出。整個系列熱映近兩年，最高收視率達30%。而在1974年的“東映漫畫節”放映的動畫電影《魔神Z對魔神大將軍》更是開創了在同系列的動畫電影版中揭曉電視動畫版結局的先例。
在魔神系列之後，對機甲動漫的發展具有重大影響的作品是《蓋塔機器人》。這主要源於該作中對機甲功能的兩個新設定：合體（小機甲作為功能模塊組成功能更強大的機甲）和變形（根據任務需要變換成相應功能形態機體）。
如果說《魔神Z》和《蓋塔機器人》讓機甲作為一個類型符號逐漸趨於定型，那麼《宇宙戰艦大和號》則為機甲動漫的世界觀設計提供了典範。儘管其中並未出現機甲，但是作為日本動漫史上第一部嚴格意義上的科學幻想類（硬科幻）作品，《宇宙戰艦大和號》的成功為後來同樣具有科學幻想屬性的機甲動漫作品提供了構架範本、開拓了受眾群體、提升了市場號召力。
（二）繁榮期
20世紀70年代末，隨著卡梅隆指導的科幻大片《星球大戰》在日本的公映以及《宇宙戰艦大和號》熱潮的持續，一股前所未有的科幻熱席捲日本。日本SUNRISE（日升）動畫公司審時度勢，推出了以“兵器化的超級機器人”（機甲）為中心的科幻動漫製作項目策劃，最終孕育出了機甲動漫史上劃時代的鉅著——《機動戰士高達》（機動戦士ガンダム）。
從劇情上看，《機動戰士高達》並沒有太多的新意，故事主線仍舊是熱血少年駕駛機甲在戰場上與強敵抗爭。該作真正的迷人之處，在於其嚴謹的科學和軍事情景設計。比如，在初代《機動戰士高達》裡，聯邦軍裝備的機動戰士有三種型號，用於遠程火力覆蓋的RX-75“鋼坦克”和用於中程火力支援RX-77“鋼加農”，而由男主角阿姆羅·雷駕駛的“高達”，型號為RX-78，負責近程近戰格鬥。三種機動戰士分工不同，配合作戰，體現了現代戰爭體系化作戰的理念。當然，這種設計也有利於豐富動漫周邊產品的種類。
除電視動畫版外，1981年至1982年間，高達系列推出了三部動畫電影版（劇場版）：《機動戰士高達：高達站立在大地上》、《機動戰士高達：哀戰士》、《機動戰士高達：相逢在宇宙》，內容包括重新剪輯的電視動畫版內容和部分新加入的劇情。以今天的視角來看，這三部動畫電影屬於典型的“粉絲電影”。在日本科幻動漫作品中，這種“視而優則影”的營銷策略始於《宇宙戰艦大和號》，高達系列則將其發揚光大。1988年3月，作為高達系列第一部故事完結篇的動畫電影《機動戰士高達：逆襲的夏亞》公映，作為宿敵的阿姆羅•雷和夏亞•阿茲納布爾在最終之戰後，雙雙不知所蹤，預示著第一部故事的徹底落幕。
繼《機動戰士高達》後，又有一部明星作品的出現讓機甲動漫的影響力再上臺階。這就是1982年10月首播的《超時空要塞Macross》。
從劇作的角度來看，《超時空要塞Macross》吸收了眾多經典科幻作品的情節橋段，人物刻畫也更加生動自然，尤其是對一條輝、林明美和早瀨未沙三個角色之間情感糾葛的描繪頗見功力，徹底改變了人們長期以來認為“動漫都很幼稚”的刻板印象。而片中出現的以美軍F-14戰鬥機為原型設計的超級變身戰鬥機VF-1“Valkyrie（女武神）”堪稱史上最強機甲，擁有戰鬥機（Fighter）、守護神（Gerwalk）和機器人（Battroid）三種變形形態，能夠適應空戰、陸戰和太空戰等不同作戰環境的需要。
與高達一樣，超時空要塞Macross也很快走向系列化。1984年，經過重新設計劇情的動畫電影版《超時空要塞Macros：可曾記得愛》（超時空要塞マクロス 愛おぼえていますか）上映。由於該片製作精良且劇情更加跌宕起伏，後來的超時空要塞系列便將該片而非82年的電視動畫版，作為整個系列的故事開端。
超時空要塞系列可謂承上啟下，引發了一直持續到20世紀80年代中期的機甲動漫熱潮。1983年首播的《超時空世紀Orguss》和1984年首播的《超時空騎團》（サザンクロス），與超時空要塞一起構成了“超時空系列”三部曲。後來，美國金和聲公司購買了《超時空要塞Macros》、《超時空騎團》和另一部首播於1983年的機甲動漫《機甲創世紀》的北美播放權，將三部原本互不相干的動漫作品進行了劇情整合和內容重構，使之更加適合北美觀眾的欣賞口味，並命名為《太空堡壘》。受美式科幻影響至深的機甲動漫，至此實現了對北美市場的逆襲。
此外，這一時期，較有影響力的機甲動漫還有1983年首播的《特裝機兵多爾巴克》、《裝甲騎兵VOTOMS》、1987年首播的《機甲戰記Dragonar》等。其中，《裝甲騎兵VOTOMS》被認為是機甲動漫在20世紀80年代的巔峰之作。另一方面，與《魔神Z》類似的幻想科學式機甲作品（習慣上稱之為“超級系”）仍在不斷推出，如《最強機器人大王者》、《百獸王高萊恩》、《戰國魔神豪將軍》、《六神合體》、《太陽之牙達格拉姆》等。同時，機甲也不再是科幻的專利，出現了以《魔神英雄傳》為代表的奇幻機甲動漫，堪稱另類。
（三）轉型期
或許是因為同類型作品扎堆上映，造成受眾審美疲勞。又或者是後續作品無復當年經典名作造成的視覺與心理的雙重衝擊。總之，進入20世紀80年代後期，機甲動漫逐漸呈現頹勢。1988年上市的《飛躍巔峰》將嚴謹的科學設定與美少女的勵志成長故事相融合，但最終卻因曲高和寡而草草落幕。轉年播出的《機動警察》把機甲帶出了硝煙瀰漫戰場，轉戰現代大都市的水泥森林，成為打擊特殊犯罪的利器。儘管劇情輕鬆幽默有不失內涵，卻也無法向以往的經典名作那樣產生持久的影響力。
進入90年代，在日本動漫業整體不景氣的大背景下，機甲動漫也未能倖免，除了偶爾有經典名作推出新版外，原創作品寥寥無幾，影響力則幾乎可以忽略不計。但在如此艱困的條件下，仍有人對機甲動漫情有獨鍾，並苦苦的尋覓轉型之路。
所有這些努力在1995年終於結出了碩果。標誌著機甲動漫王者歸來的新作《新世紀福音戰士》播出。儘管在首播時，與當年的《宇宙戰艦大和號》一樣遭遇了收視率不佳的窘境。但很快在新世代動漫愛好者的瘋狂追捧下，《新世紀福音戰士》完成了華麗的口碑逆襲，成為當時的現象級動漫作品。
較之以往的機甲動漫，《新世紀福音戰士》最突出的一個變化就是人物塑造的“去英雄化”。在此之前，機甲動漫中的男女主角都常常被塑造成高大全的完人英雄形象，他們的夥伴也都是誠實善良，能力過人。但《新世紀福音戰士》中的主要人物角色都或多或少的存在一些心理問題。這讓他們更加接近生活中的普通人。同時，在機甲設計上，Evangelion將生物組織與機械部件融為一體，在操控方式上，也把意念操控和電傳操控合而為一，可謂革命性的創新。在剪輯手法上，該作一改傳統日本動漫的刻板程式，大膽採用先鋒電影的意識流手法，快速的鏡頭切換增加劇情表現的張力，多重畫面效果的給觀眾帶來巨大的視覺衝擊力。尤其是在表現機甲與使徒對戰的畫面中，採用多視角分鏡，輔之以快速的剪輯切換，使戰鬥場景的炫酷程度達到了前所未有的程度。而通過動靜結合的場景畫面設計，編導嫻熟的運用間離效果，牢牢地掌握著劇情發展的節奏。此外，包裹著整個作品的龐大而複雜的世界觀設定，也令眾多粉絲興奮不已，各種探疑文章層出不窮，不斷製造話題。而互聯網新媒體的勃興，又令這股熱潮以前所未有的速度迅速傳播。
《新世紀福音戰士》為機甲動漫創立了新的典範。但令人遺憾的是，業內追隨者卻寥寥無幾。機甲動漫作為一個題材類型衰落命運似乎已經不可避免。
（四）衰退期
自《新世紀福音戰士》熱播之後近二十年，日本機甲動漫就幾乎再無有影響力的佳作問世。儘管以往的經典作品不斷推出，但基本上都是對舊有IP價值的再開發而已。
以高達系列為例，雖然進入新世紀以來，續作數量驚人，但基本上已經擺脫了原本世界觀設定的束縛，除了似曾相識的高達機體外，與1979年推出的本作已經沒有了親緣關係。同樣的情況也出現在超時空要塞系列的續作中。2002年推出的具有前傳性質的《Macross Zero》，藉助最新的CG技術獲得更炫目逼真的戰鬥場面，但在劇作和人物塑造上卻有仿效“新世紀福音戰士”之嫌，與同系列拉開了距離。2008年播出《超時空要塞F》及兩部動畫電影版，則是完全按照正傳續集的模式打造。然而，在人類向外太空大舉移民，成為和當初侵越地球的外星人同樣的星艦文明後，如何應付攻守易型後所面臨的道德困境？顯然，製作團隊意識到了這個問題，並試圖以此為中心，構築新作的精神內核。但他們又不得不顧及變形戰鬥機、三角戀、純美歌聲武器這些超時空要塞的固有元素。最終只得到了一個形式完善的續集，而新精神內核的構造基本上歸於失敗。
在原創作品方面，SUNRISE公司製作的Code Geass系列動畫《反叛的魯路修》（2006年首播）、《亡國的阿基德》（2012年首映），因龐大的世界觀設定、唯美的人物造型和炫目的戰鬥場景而受到眾多新世代粉絲的追捧。但無論是從機甲設計理念，還是作品的精神內核都已經以往的經典機甲作品拉開了不小的距離。2016年初開播的《黑之宣告》儘管身世複雜，情節弔詭，但其中名為“戰術步行攻擊機”機甲設定以及地球人與蟲形外星人激戰的故事主線，卻極具復古色彩，不失為一種向經典的致敬。不過，這些作品都不足以再撐起機甲動漫昔日的輝煌。
在日本本土機甲動漫日趨衰落的同時，機甲卻作為一種文化，不斷在異域激起漣漪。2013年上映的好萊塢大片《環太平洋》，堪稱是日式機甲動漫與好萊塢科幻片的完美融合。2015年，改編自中國漫畫家孫恆（白貓sunny）的同名漫畫的動畫片《雛蜂》登陸日本。這部融合了美少女和機甲等元素的國漫作品在日播映，標誌著海外機甲文化反哺日本市場已經成為現實。
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