美式橄榄球的历史源自于英国在19世纪中期公立学校流行的各种早期“足球类”运动，是由英式橄榄球直接演变过来的。英式橄榄球最初由英国陆军在加拿大蒙特利尔的麦基尔大学比赛时传入北美洲。第一场校际橄榄球赛于1869年11月6日，由新泽西的罗格斯大学对普林斯顿大学，比赛最后由罗格斯以6:4击败普林斯顿——尽管那场由25人互相对垒的比赛跟现代美式橄榄球没太多相像的地方。
现代美式橄榄球的型式在1874年哈佛大学对蒙特利尔麦基尔大学的三场系列赛中发展起来。麦基尔当时玩法类似英式橄榄球，而哈佛则采用较近似足球的“波士顿”式。由于没有统一的球例，所以两队轮流以自己的球例比赛，以示公平。哈佛的球员喜欢橄榄球中的带球跑动，于是于1875年说服耶鲁大学以橄榄球球例作为他们两队比赛时用的球例。1875年，耶鲁、哈佛、普林斯顿及哥伦比亚大学以橄榄球球例组成了“校际足球协会”（Intercollegiate Football Association），但得分球例则稍作改动。
1880年，耶鲁大学的教练沃尔特·坎普（Walter Camp） 引进了攻防线来取代英式橄榄球风格的并列队形，规定每方队员11人，其中后卫4人、前锋7人，有替补队员。比赛分4节，每节15分钟，第1、2节之间和第3、4节之间，各休息2分钟，第2、3节之间休息20分钟。比赛在长120码、宽160英尺的场地上进行。端线前10码处各设一球门线，两条球门线之间距离为100码，球门设于端线正中，体制与英式橄榄球相同，但是美式用球较英式略小些。比赛时，队员带球至对方球门前的得分区触地得6分；还可以再踢一次定位球，如踢出的定位球越过对方球门横木，还可以再得1分，其它情况射门均得3分；持球队员被守方挤出端线，守方得2分。
1882年，为了制止普林斯顿及耶鲁大学用“控球但不尝试得分”的拖延策略，有限进攻机会的球例被开始应用。1883年，在坎普的建议下，场上球员的数目被减至十一人，同时也规范了7人进攻线、一位四分卫、两位半卫及一位全卫的排阵。坎普后来在1925年4月在前往俄亥俄州坎顿（Canton）出席一个规则改进会议时不幸遇上车祸去世，他对改进美式橄榄球规则以及使其脱离英式色彩功不可没，被视为“美式橄榄球之父”（Father of American Football）。
在1895年9月3日，在宾夕法尼亚州的Latrobe举行了第一场职业美式足球赛，由 Latrobe YMCA对Jeannette Athletic Club。结果由Latrobe以12:0胜出。
到了1890年代，连环进攻阵式（interlocking formation），比如“飞翔楔子”（flying wedge），以及队友把控球的球员强行向前拖动都令到橄榄球比赛变得非常危险。尽管采取了对此类阵式的限制以及推行了其它的预防措施，在1905年仍有19位球员于比赛中受伤死亡，达到了历史纪录。当时的美国总统西奥多·罗斯福为了迫使大学重视他对比赛安全性的忧虑，甚至威胁如果没有改善就会迫令国会立法将橄榄球定为联邦罪行加以取缔。 1906年，两个原为对立的组织——校际规则委员会（Intercollegiate Rules Committee）及校际体育协会（Intercollegiate Athletic Association）——在纽约会面，最终同意几项令美式足球更安全的新球例，包括在攻防线之间设置中立区，以及每队都要有至少7名球员于攻防线列阵，但最重要的改革首推将向前抛传合法化。这球例在当时是极具争议性的，而且被纯粹派们所嘲讽。为了令球员们于比赛时较为分散，坎普提议把球场扩阔；但与会的哈佛大学代表指他们新建成的哈佛球场没有扩建的空间，因此采用了抛传提议。这球例亦建立了美式足球跟其它同由橄榄球演变出来的足球类运动的分别之处。
1910年，在更多的死亡个案后，连环进攻阵式被禁止了。1912年，达阵的得分增至六分，以及每次控球加入第四次进攻机会。此时，比赛已改革到现代的模样了。
美国大专院校橄榄球运动开展早，人才辈出。1876年，哈佛、耶鲁、普林斯顿和哥伦比亚四所大学组成了美国第一个大专院校橄榄球联盟。美国六百多所大专院校橄榄球队分属60个橄榄球联盟，其中最重要的管理组织就是全国大学体育总会（National Collegiate Athletic Association，简称NCAA）。
1920年，美国职业橄榄球协会（American Professional Football Association，简称APFA）于俄亥俄州坎顿的一家Hupmobile汽车代理商成立,传奇运动员吉姆·索普（Jim Thorpe）当选为总裁。这个拥有11支球队的组织，除了一支球队以外都在中西部，最初并不太像是一个联盟，而比较像是一个互不挖角的协定。在早期，APFA的会员继续与非APFA的会员球队比赛。1921年，APFA开始列出官方排名，并在翌年改名为国家橄榄球联盟（National Football League，简称NFL）。然而，当时的NFL很难称为一个大型联盟，球队频繁进出，并且表演狗秀，直到前大学明星开始加入，职业比赛才慢慢变得越来越受欢迎。到了1934年，所有小市场球队都搬到了大城市。NFL受欢迎程度增加的另一个因素是由于1933年开始建立的年度冠军赛。
在第二次世界大战结束前，职业美式橄榄球开始与大学比赛竞争球迷的注意力。丁字阵型的广泛使用产生的快节奏和高比分吸引了许多球迷。在1945年，克里夫兰公羊队（Cleveland Rams）成为西海岸第一个大联盟运动球队。1950年，NFL从（现已不存在的）全美橄榄球联会（All-America Football Conference，简称AAFC）接收3支球队，扩充为13支球队。在1950年代，职业美式橄榄球终于获得大联盟运动的地位。NFL拥抱电视转播，给全美国人机会去追随明星。1958年在纽约市的NFL冠军赛让Unitas和他的巴尔的摩小马队队友变成全国知名人物。
职业橄榄球在1960年代中期成长快速，在某些调查中超越棒球成为美国最喜欢观赏的运动。因为NFL无法提供机会让许多人欢迎程度的成长中获得利益，于是一个与其竞争的联盟——美国橄榄球联盟（American Football League，简称AFL）于1960年成立。AFL引入了一些NFL没有的特色，像是wider-open传球进攻、球员于球衣上绣上名字、一个官方时钟让观众知道比赛剩余时间（NFL使用裁判的表来计算时间，并且周期性的宣布时间）。新联盟同时也在球队间建立转播权利金分享和有线电视网广播比赛惯例后，解决财政问题。
NFL和AFL之间的竞争在1966年达到高潮，双方都不断抬价用高薪挖掘大学联盟中的优秀球员，持续对立所导致昂贵付出开始让双方都难以应付。1966年6月8日，两联盟达成协议宣布合并计划，组成一个拥有24只球队的新联盟，原AFL的九支球队加上NFL的三支球队组成新联盟中的美国橄榄球联会（American Football Conference，简称AFC），而剩下的NFL球队变成了国家橄榄球联会（National Football Conference，简称NFC）。1967年，第一届AFL-NFL冠军赛（后世称为第一届“超级碗”，Super Bowl Ⅰ）在洛杉矶举行，NFL冠军绿湾包装工队以35比10大胜AFL冠军堪萨斯城酋长队。1970年，新联盟的合并程序在终于通过政府批准全部完成，并保留了NFL的名字，举办了四年的AFL-NFL冠军赛也正式改名为“超级碗”。
在1970和1980年代，NFL强化了它“美国顶尖观众运动”的地位和美国文化里的重要角色。《周一晚橄榄球》（Monday Night Football）于1970年首次开播，因其混合运动娱乐带来高收视率。NFL也在1970年代末改变规则以保证许多传球的快节奏比赛以吸引非死忠球迷。NFL赛季比其他北美职业体育联赛要短亦是其吸引因素，它每次都是一场过，胜者可以赢得全部，输家亦没有第二回合的机会去复仇。而每场都是城市间或州际间对战，比赛充满着你死我活的气氛，同区的世仇对决更使这种气氛推上顶点。美国人视自己城市的球队如该市的“军队”，居民对NFL的热情态度可以由场馆座无虚席可以见得，每场比赛均能使过几万人的场馆满座，这绝对是其余三个联赛望尘莫及的成就。
1980年代早期的合众国橄榄球联盟（United States Football League，简称USFL）的成立是于合并后时期内对NFL的最大挑战。USFL是个拥有著名球员和全国性转播合约的财政稳定竞争者，然而却在赚钱上失败并在三年后倒闭。
近几年来，NFL扩充至新的市场和商业冒险。1986年，联盟开始进行一系列的季前表演赛，称为美国杯，于美国之外的国际地点举行。在1991年，联盟成立美式橄榄球世界联盟，即为现今的欧洲美式橄榄球联盟。NFL在2005年于墨西哥市进行例行赛，打算在其他国家继续进行这样的比赛。在2003年，NFL创办自己的有线电视频道——NFL电视网（NFL Network）。
