La cúpula apareció en Mesopotamia hace unos 6.000 años, como techado para las cabañas circulares construidas con adobe. En el siglo XIV a.C. las culturas cretomicénicas construyeron tumbas en forma de tolos, una estructura levantada por la aproximación de las hiladas de piedra, que tomaba la forma de una colmena. La arquitectura griega, sin embargo, fue sobre todo adintelada, y sus obras más representativas estaban coronadas por un techo o tejado a dos aguas.
Los romanos desarrollaron definitivamente la sintaxis moderna de la cúpula. Su obra culminante en este sentido fue el Panteón (c. 118-128), un edificio circular construido por el emperador Adriano. Está compuesto por un muro perimetral, articulado por ocho machones (pilares) de 6 m de profundidad, sobre el que se levanta una cúpula semiesférica de casetones. En el interior de este templo se puede inscribir una esfera de 43 m de diámetro y en el cenit de su cubierta se abre un óculo de 9 m para captar la luz solar.
El empleo de estas estructuras continuó siendo habitual en el periodo paleocristiano, en especial para cubrir pequeños edificios circulares, como mausoleos o baptisterios. Uno de los mejores ejemplos de esta época es la iglesia de Santa Constanza (c. 350) en Roma, que originalmente fue el mausoleo de Santa Constanza, la hermana del emperador Constantino. Los arquitectos bizantinos dieron un paso más en la construcción de cúpulas, combinándolas para crear espacios articulados. Esto culminó en la construcción de Santa Sofía de Constantinopla (532-537), la iglesia erigida por el emperador Justiniano I. En ella, la cúpula central de 31 m de diámetro, horadada en su base por un anillo de ventanas, se apoya sobre cuatro pechinas (triángulos esféricos), que descargan sus empujes hacia una serie de medias cúpulas y cuatro enormes machones exteriores.
Después de que los turcos Selyúcidas conquistaran Constantinopla en 1453, Santa Sofía se convirtió en mezquita, modelo para el resto de los edificios religiosos construidos a lo largo del Imperio otomano en los siglos venideros. En cualquier caso, la cultura islámica conservó el modelo romano en la construcción de diferentes edificios como palacios, mezquitas, tumbas o baños. La cúpula de la Roca (finales del siglo VII), en Jerusalén, considerada como la primera obra de arquitectura musulmana, es un santuario cubierto por una doble cúpula de madera, que descansa sobre una arcada apoyada en pilares. Durante el califato de Córdoba se inventó un nuevo tipo de cúpula, llamada califal, compuesta por ocho nervios estructurales que se entrecruzan dibujando un polígono estrellado. Esta forma aparece por primera vez en la mezquita de Córdoba (España, siglo X) y su influencia se hizo notar durante muchos siglos en la arquitectura cristiana. Otro de los monumentos islámicos más conocidos es el Taj Mahal (1632-1643) de Āgra, en la India, construido durante el periodo mogol por el Sha Jahan, como mausoleo para su esposa favorita. En el centro de la composición emerge la elegante cúpula bulbosa de mármol blanco, apoyada sobre un tambor y flanqueada por dos edificios simétricos.
El renacimiento italiano fecha su inicio arquitectónico en la construcción de la cúpula octogonal (1420-1436) de la catedral de Florencia, llevada a cabo por Filippo Brunelleschi. Las dimensiones de esta obra son espectaculares: mide 39 m de diámetro, alcanza una altura de 91 m y está coronada por una linterna de 16 m de altura. Su estructura consiste en una cubierta ligera que se sujeta a una retícula de piedra, oculta en el interior, cuyos 8 nervios principales y 16 secundarios forman un entramado enormemente resistente. En Roma, varias generaciones de arquitectos del siglo XVI se ocuparon de la reconstrucción de la basílica de San Pedro. Las obras de esta gran iglesia, proyectada en un principio sobre una planta de cruz griega (de brazos iguales), comenzaron finalmente en 1506 bajo la dirección de Bramante. En 1546 Miguel Ángel se hizo cargo de la dirección y diseñó un templo coronado por una monumental cúpula de estructura nervada de 41,7 m de diámetro que se convirtió en un arquetipo para la arquitectura de los siglos venideros.
En el resto de Europa, la arquitectura barroca más grandilocuente se llevó a cabo en Francia e Inglaterra. La Dôme des Invalides, construida en París entre 1676 y 1706 según el proyecto de Jules Hardouin-Mansart, cuenta con una cúpula de 28 m de diámetro apoyada de forma inusitada sobre dos altos tambores, perforados por grandes ventanas que inundan de luz el interior del templo. Christopher Wren construyó entre 1675 y 1710 la catedral de Saint Paul, en Londres, cuya cúpula de inspiración renacentista incorpora una copa interior rebajada, un armazón cónico de piedra que sustenta la linterna superior y una estructura principal de madera revestida por la cubierta exterior.
Durante el siglo XVIII se construyó en París el Panteón (1756-1790), obra de Jacques-Germain Soufflot, que presenta una cubierta inspirada en la londinense de St Paul. Entre las obras clasicistas acometidas en la capital de España durante el reinado de Carlos III destaca la enorme cúpula para la iglesia de San Francisco el Grande (1761-1784), una estructura de 33 m de diámetro concluida por Francesco Sabatini. Por otra parte, en los recién independizados Estados Unidos se edificó el Capitolio (iniciado en 1792) de Washington, cuyo diseño definitivo de William Thornton, Charles Bulfinch y Benjamin Latrobe contaba con una cúpula inspirada en la del Panteón romano, sustituida por otra mayor, de inspiración renacentista, durante la ampliación del edificio llevada a cabo a mediados del siglo XIX.
Los avances tecnológicos de los siglos XIX y XX han cambiado radicalmente el concepto y la construcción de este tipo de estructuras. Entre los ingenios más novedosos del siglo destaca la patente en 1947 de la cúpula geodésica, del ingeniero estadounidense R. Buckminster Fuller, compuesta por la unión de sectores tetraédricos u octaédricos de materiales ligeros y que permite el techado de grandes espacios sin soportes. Uno de los edificios donde se pueden comprobar sus cualidades es el Climatron, un gigantesco jardín botánico climatizado construido en Saint Louis (Missouri) en 1960. La construcción de cúpulas de acero también hace posible la consecución de grandes luces estructurales; aunque su origen se remonta al siglo XIX, uno de los ejemplos más espectaculares es el que cubre el Palau de Sant Jordi en Barcelona (España), un pabellón de deportes construido por el arquitecto japonés Arata Isozaki para los Juegos Olímpicos de 1992. Su estructura reticular, prefabricada en su totalidad y levantada mediante un ingenioso sistema de rótulas, sustenta una cubierta ligera de material plástico, horadada en la parte central por lucernarios circulares. Otro de los materiales empleados en este siglo para construir cúpulas es el hormigón armado, que por lo general se compone entrecruzando vigas de material pretensado. Una de las estructuras de hormigón más destacadas es la del Palazetto dello Sport en Roma, del italiano Pier Luigi Nervi, construida en 1959 para las olimpiadas.