1907年，Henry Van 發現物理分離的海綿細胞可以重現聚集，自行組成一個新的功能完善的海綿。在接下來的幾十年里，脊椎動物中也發現了相似的細胞分離再聚合現象，例如1944年Holtfreter的兩棲動物腎組織實驗和1960年Weiss的禽類胚胎實驗。1961年 Piercehe和 Verney觀察到胚狀體的體外分化，隨后在1964年 Steinberg提出了細胞分化的差異粘附假說（DAH），1981年多功能干細胞（PSCs）被首次從小鼠的胚胎中分離出來，干細胞研究自此蓬勃發展。
1987年李茂林等人通過模擬生物體內微生物環境優化了細胞培養條件。研究表明，EHS (小鼠肉瘤：Engelbreth-Holm-Swarm) ECM(細胞外基質：extracellular matrix)提取物中，乳腺上皮細胞可組織成3D導管和小導管，此外，Shannon JM在ECM細胞中發現肺泡Ⅱ型上皮細胞分化[10]。但是直到 1998 年，美國生物學家 James Thomson 才首次從人胚泡中分離培養出人胚胎干細胞。
2006年，通過對小鼠和人成纖維細胞進行重組編程，成功制備了人誘導多能干細胞(iPSCs)，這對干細胞和類器官研究有重大意義。2008年，Sasai等人通過展示人類大腦誘導多能干細胞自組織到形成極化皮質組織的神經細胞，奠定了類腦器官的基礎。2009年，Hans Clevers和他的同事首次證明了單個Lgr5+腸道干細胞（ASCs）可以自行組織分化形成包含所有腸細胞類型的腸隱窩-絨毛結構.這開啟了類器官技術發展的新時代。在此基礎上類器官模型成為替代傳統細胞系和異質動物模型的新型研究模型。2010年，研究發現小鼠胚胎腎干細胞分離再組合可形成腎類器官。腸類器官可從體外誘導多能干細胞生成。
Nakano等在2012年證明了在三維構建中PSCs自行組織成為了視杯結構。2013年，人類大腦類器官由小頭患者的iPSCs細胞分化形成。Lee等人發現內皮細胞和成年細支氣管肺泡干細胞在三維共培養模式下可產生肺類器官。乳腺、輸卵管和海馬類器官是在2015年研究得出的，蛇毒腺類器官產生于2020年。
