一般认为1908年墨西哥上将曼努埃尔·蒙德拉贡发明的蒙德拉贡步枪，是史上第一支被军方采用的半自动步枪，而真正的第一支半自动步枪是意大利的塞尔-瑞哥提（Cei-Rigotti）半自动步枪，该枪在1900年开发出来，但因为缺陷繁多所以没有被军队采用。在第一次世界大战期间，大英帝国、法国、德意志帝国、奥匈帝国、俄罗斯帝国及美国等列强均研制过半自动步枪，虽然有点型号装备在军队中但只属少量配备，战争结束后没有再继续使用及开发，或转向研究及采用能进行全自动射击的自动步枪。
到1930年代中期，美国开始以半自动操作的M1加兰德步枪及M1卡宾枪取代手动的M1903春田步枪作为制式装备，苏联也在开发SVT-40半自动步枪。在二次大战前，大部分国家仍然以手动步枪作为军队的制式装备。然而开战后单兵装备的全自动武器，如冲锋枪在战场上展现出充沛火力，而美军装备的M1加兰德步枪相对于传统的手动步枪具有明显射速优势，各主要参战国为提高步兵的持续火力，设计出各种不同口径的半自动步枪，如德国的G41及G43（又名K43）、日本的四式步枪等。
纳粹德国于二战后期开始装备StG44突击步枪后，这款自动步枪立即受到同盟国的注意。到战后苏联军队开始以AK自动步枪作为制式装备，突击步枪已成各国军队作为制式配备的趋势，但半自动步枪仍活跃于韩战，直至越战后期，交战双方分别以AK及M-16自动步枪作为主要装备，半自动步枪终于退居二线。
全自动操作的自动步枪虽然在1950年代起逐渐成为各国军队的制式枪械，但仍有不少自动步枪被改为半自动操作。例如北约在1950年代选定7.62×51mm NATO作为标准弹药，相对于苏联的7.62×39mm弹药，虽然维持较高的装药量可在射程及杀伤力取得优势，但后座力较大导致枪口跳动严重，连射的准确度太差，缺乏实用价值[2]，因此有不少士兵虽然获配发自动步枪但仍多选择单发射击模式，有部分国家甚至直接将其制式的自动步枪改为只可半自动操作，如英国的L1A1 SLR。
在1970年代以后，世界各国的军队大多以自动步枪作为制式装备，半自动步枪渐渐成为民间市场及部份受法律限制地区的警用武器，而生产商亦以突击步枪及冲锋枪改装成半自动以扩大市场。虽然半自动步枪在射速上没有优势，但射击稳定性较佳，而且可选用装药量较大的弹药，适合中距离以上的精确射击用途，因此仍常见于狙击步枪及反器材步枪。