認為物質是由不停運動著的分子所組成，並以分子運動的集體行為來說明物質的有關物理性質，特別是熱力學特性。
人類很早就開始抽象地思考物質的構成。從米利都學派創始人泰勒斯提出水是萬物的本源，到赫拉克利特的水、氣、土、火四元素學說，以及中國戰國時期鄒衍的五行學說，都是早期關於物質構成的推測。
德謨克利特或留基伯想像物質是由不可再分割的粒子組成。他們把這種粒子稱為“原子”── αττoμos，並認為不同物質由不同的“原子”構成。1658年P.伽桑迪考察瞭原子觀點的論斷，進而假設物質內的原子可以在空間各方向上不停的運動，據此他解釋瞭一些物理現象，例如說明物質的液體、固體、氣體三種狀態的轉變。
1738年D.伯努利發展瞭伽桑迪和R.胡克的觀點，設想氣體的壓力是氣體分子與器壁碰撞的結果，從理論上導出瞭玻意耳定律(見理想氣體狀態方程)。1744年М.Β.羅蒙諾索夫提出熱是分子運動的表現；把機械運動守恒定律推廣到分子運動的熱現象中去。
19世紀，分子運動論得到迅速的發展。1857年R.克勞修斯把分子看成是無限小的質點，首先計算出氣體的壓力、溫度和體積間的關系。1858年，克勞修斯引入瞭自由程的概念，即氣體分子相繼兩次碰撞間所經的路程。1859年，J.C.麥克斯韋用平均自由程和他提出的氣體分子速度分佈的概念得到瞭氣體輸運系數（擴散、粘滯、熱傳導）的公式（見氣體的輸運現象）。同年，他找到瞭平衡態的分佈函數：認為各個分子運動的速度並不相同，得出速度分佈定律，用現在的形式可寫成
式中nl是體元dωl=dx dy dz dvx dvy dvz中分子的數目，n是單位體積中的分子數。但是當時麥克斯韋推證此式的方法是不夠完善的。1868年L.玻耳茲曼給出瞭更嚴格的證明。速度分佈定律的實驗證實是較晚的事。O.斯特恩、E.E.霍耳等人都從事過這方面的工作。霍耳改進瞭斯特恩的實驗裝置，見附圖。加熱爐O泄出的分子蒸氣，經過細縫S後形成分子束。在上面設一帶有細縫S′的轉筒。由於分子束中的各分子速度不同，故進入細縫S′後，淀積在轉筒壁上位置也不同。由此可以檢驗麥克斯韋速度分佈律。I.F.紮特曼和C.C.科、V.W.科恩和A.埃利特等人利用此類裝置，得到令人信服的實驗結果。
麥克斯韋還首先用平均自由程的概念，在實驗上測量氣體內摩擦，得出瞭平均自由程的量值。1866年，他在分子間以r-4形式的相互作用勢的麥克斯韋氣體模型下，提出瞭氣體輸運過程的數學理論，導出瞭氣體的輸運系數。
1872年，玻耳茲曼給出分子運動論的基本方程
式中f(r，v，t)是分佈函數， v、v1是分子碰撞前的速度，v′、v1′是碰撞後的速度，系數b是瞄準距離（碰撞參數），φ是采用分子碰撞的力心點模型時引入的角度，F是作用在分子上的外力， rc是分子間相互作用的有效力程。此式被稱為玻氏微分積分方程，它給出在一般情況下分佈函數f 所遵從的規律。當到達平衡後дf／дt＝0，此時f即是麥克斯韋速度分佈律。玻耳茲曼又引進函數H
證明在分子相互碰撞的影響下，H 隨時間單調地減少，這就是H定理（見統計物理學）。
玻耳茲曼方程出現後40多年，1916～1917年S.查普曼和D.恩斯庫格才分別地給出這個方程的一般解。玻耳茲曼還最早把概率概念引進分子運動論，給出熵S的統計意義
S2-S1= k(lnW2-lnW1)，
W是對應一個宏觀態的微觀態數目，上式被稱為玻耳茲曼關系。
佈朗運動的研究在分子運動論建立過程中起過重要的作用。1827年植物學者R.佈朗觀察到懸浮在水中的花粉和其他微粒的無規則運動。1877年J.德耳索才指出，微粒的運動是由於受到液體分子碰撞不平衡而引起的。1908年J.B.佩蘭把藤黃微粒懸浮在水中，觀測的結果證實瞭A.愛因斯坦、M.von斯莫盧霍夫斯基於1905年和1906年所發表的理論，以及稍後的P.朗之萬的理論。佈朗運動的研究結果表明，物質的分子始終是處於無規則的熱運動中，而且存在著漲落現象。這對當時確立分子運動論是有力的支持。
分子運動論的研究方法，還是以經典力學為基礎，因此在考慮分子間的碰撞時，需要給出分子的模型，碰撞的機制；而在遇到大量分子相互作用的情況下，又不可避免地引進概率理論。
1902年J.W.吉佈斯在他的《統計力學原理》一書中，創立瞭統計系綜的方法(見統計物理學)。它可以避免分子運動論方法中的缺欠，而且在理論上也更為嚴謹。所以分子運動論是吉佈斯統計力學出現之前關於物質運動的微觀理論。
在近年許多統計力學著作中，通常把分子運動論作為統計力學的一部分，而不是像歷史發展中那樣，獨立地專述分子運動論。