Zaradi potrebe po izdelavi orožja so se že v 15. stoletju pojavili stroji za vrtanje cevi na hidravlični pogon. Potem ko je leta 1769 J. Watt pridobil patent za praktični parni stroj, je natančnost obdelave cilindra postala ključno vprašanje za parni stroj. Leta 1774 je Anglež J. Wilkinson izumil stroj za vrtanje topovskih cevi, ki so ga naslednje leto uporabili za obdelavo blokov cilindrov za parni stroj Watt. Leta 1776 je zgradil natančnejši stroj za vrtanje valjev. Okoli leta 1880 se je v Nemčiji začela proizvodnja horizontalnih vrtalnih strojev s sprednjimi in zadnjimi stebri ter mizami. Da bi se prilagodili obdelavi zelo velikih in zelo težkih obdelovancev, je bil v 30. letih 20. stoletja razvit talni vrtalni stroj. S povečanjem obsega rezkalnega dela so se v 50. letih pojavili talni vrtalni mlini. V začetku 20. stoletja se je zaradi razvoja industrije ur in instrumentov pojavila potreba po opremi z majhnim pogreškom razmika lukenj in v Švici so se pojavili koordinatni vrtalni stroji. Da bi izboljšali natančnost pozicioniranja vrtalnih strojev, se pogosto uporabljajo optične bralne glave ali digitalne prikazovalne naprave. Nekateri vrtalni stroji uporabljajo tudi digitalni krmilni sistem za avtomatizacijo koordinatnega pozicioniranja in obdelovalnih procesov.