I documenti cartografici più antichi pervenuti fino a noi risalgono all'antico Egitto e alle civiltà mesopotamiche e riguardano piani di città o mappe di limitate regioni minerarie. Con l'ampliarsi dell'interesse scientifico, parallelamente al progresso della matematica e dell'astronomia, si pervenne già da parte degli Egizi alla costruzione di carte dell'intera Terra, di cui gli esempi più antichi giunti fino a noi risalgono al greco Anassimandro di Mileto (VI secolo a.C.). La speculazione filosofica greca portò ben presto a postulare la sfericità della Terra, intuizione che consentì, con l'ausilio delle rilevazioni astronomiche, di tentare i primi calcoli delle dimensioni del pianeta (Eratostene di Cirene, 276-296 a.C.), e di cui la cartografia tenne conto, sviluppando la scienza delle proiezioni geografiche e perfezionando la rappresentazione del mondo allora conosciuto. La più famosa di tali carte è quella di Claudio Tolomeo (II secolo d.C.), che per la prima volta nella storia della cartografia applicò un sistema geometrico alla costruzione del suo planisfero.

In età romana si sviluppò la cartografia cosiddetta itineraria, perché destinata a soddisfare le esigenze dei viaggiatori, illustrando itinerari e distanze.

Nel Medioevo si rifiutò la nozione della sfericità della Terra e anche la cartografia subì l'influsso delle interpretazioni dettate dai teologi e basate sul contenuto delle Sacre Scritture. Le semplici interpretazioni cosmografiche si traducevano nei planisferi a "T", in cui l'ecumene (dal greco oikuméne, terra abitata), divisa nelle tre parti fondamentali, Europa, Asia e Africa, era circondata dalle acque oceaniche. Fu proprio nel tardo Medioevo che le città marinare del Mediterraneo produssero le prime carte nautiche, nelle quali la forma delle terre appare di una sorprendente verosimiglianza. L'uso della bussola aveva infatti permesso la fedele riproduzione dell'andamento delle coste, ma il reticolato geografico era costituito dalle rette tracciate nelle varie direzioni delle rose dei venti.

Nel Rinascimento, il nuovo interesse per la cultura classica suscitato dagli umanisti riportò alla luce le opere cosmografiche dei Greci e, fra esse, quelle di Tolomeo, il cui atlante fu ripreso e integrato con carte moderne sempre più numerose. Nel frattempo, la riacquisita nozione della sfericità della Terra promuoveva lo studio dei migliori sistemi di proiezione, mentre l'ampliarsi delle conoscenze geografiche in concomitanza con l'epoca delle grandi scoperte consentiva di raffigurare le reali dimensioni del pianeta.

Il XVI secolo, a partire dal quale la cartografia progredisce di pari passo con le conoscenze geografiche, è il periodo più ricco di realizzazioni, a opera specialmente di cartografi italiani, tra cui si segnala G. Gastaldi (1500-1556), e olandesi, tra cui G. Kremer (1512-1594), detto Mercatore, ideatore della nota proiezione cartografica che da lui prende il nome, e il suo discepolo Ortelio (A. Oertel, 1527-1598), che realizzò il primo atlante moderno, il Theatrum Orbis Terrarum.

Agli inizi del XVII secolo, l'olandese W. Snellius (1580-1626) misurò per primo una base geodetica e applicò la triangolazione per la determinazione delle distanze e delle altezze. La prima carta topografica rigorosamente geometrica è quella del territorio francese per opera di C.F. Cassini (1677-1756), pubblicata nel 1746.

Nel XIX secolo fu completato l'allestimento da parte di vari Stati delle cartografie nazionali topografiche e derivate. In Italia, questo compito fu affidato, a partire dal 1861 (anno dell'Unità), all'Ufficio Tecnico del Corpo di Stato Maggiore, divenuto in seguito (1872) Istituto Topografico Militare e più tardi (e fino a oggi) Istituto Geografico Militare.