人类在农业生产实践中，无意识地提高土壤肥力的活动可以追溯到5000至1万年以前，而有意识地施用某些有机或无机物质，以提高土壤的肥力、促进作物的生长，则相对要晚些，距今约3000年左右。古代文明发达的地区，如尼罗河流域，两河（幼发拉底河和底格里斯河）流域，印度、南美和中国等地，当时可能已经开始应用下列一些天然物质作为肥料：如厩肥和堆肥、植物和动物的废弃物（包括秸秆、畜血等）、江河湖沼的淤泥、林地的枯枝落叶和表土层、海草、绿肥、草木灰、骨灰、石灰和石膏等。

虽然早在公元前350年前后，亚里士多德（Aristotle）已提出了腐殖质营养学说，认为植物通过根系在土壤中吸收腐殖质里面的养料，植物枯死后变成腐殖质，又成了肥料。但真正明确地提出腐殖质营养学说的是A.D.泰伊尔（Thaer，1752～1828），他在1809的指出：“事实上，土壤肥力完全依靠腐殖质，因为除了水分，只有腐殖质才能供应作物营养。正如腐殖质产生了生命，所以它是生命的一个条件，没有它，任何生命的存在是无法想象的。”这一学说在当时虽有一定意义，但片面性很大，阻碍了农业生产的发展。

由于腐殖质营养学说的局限性，促使当时的许多自然科学家乃至哲学家尝试通过其他途径来揭开植物究竟需要什么这个谜。早在1563年，法国自然科学家帕利西（Palissy）通过观察认为，植物的灰分是植物从土壤中吸取的物质。17世纪初，法兰西斯·培根（Francis Bacon）指出，植物的要素是水，土壤的主要作用是保持植物直立。同期J.巴蒂斯特（Baptiste）、范埃尔蒙（van Helmont）进行了柳树盆栽试验，其结论认为，水是植物的唯一要素。罗伯特·博耶（Robert Boyle）也同意这个观点，认为植物含有盐类、酒精、土壤和油，所有这些物质都是由水形成的。但德国化学家J.R.格劳伯尔（Glauber）通过试验，针锋相对地指出，植物的要素不是水，而是硝石（KNO₃）。约在1775年，法兰西斯·荷姆（Francis Home）指出，植物要素不是一种，而是多种，可能包括空气、水、土、盐、油和火，它们相互结合在一起。瑞典哲学家和历史学家J.塞内比埃（Senebier）指出，范埃尔蒙的试验中，柳树重量增加的原因是由于空气，而不仅仅是水。N.Th.de索絮尔（Saussure）经过深入研究发现，植物通过呼吸作用吸收氧气，放出二氧化碳（CO₂），但在光照下，植物可吸收CO₂而同时放出CO₂。如果将植物保持在无CO₂的环境下，它们会死亡。同时指出，土壤供给植物的仅仅是一小部分养料，而且包括灰分和氮素；还认为植物根系的作用并非是一种过滤器，而是一种选择性的渗透膜，水分的进入快于盐类。上述一系列试验结果和结论，事实上已对腐殖质营养学说提出了有力的批驳。

19世纪中叶到20世纪初，农业化学研究取得了很大进展。法国化学家J.V.D.布森高（Boussingault，1802～1887），通过各种田间小区试验和化学分析，计算了从雨水、土壤和空气中得到的植物营养元素的数量，分析了作物各生长阶段的元素组成，制成了养分平衡表。同时发现，豆科作物能在土壤中积累氮素，并指出这些氮素来自空气，进而提出了氮素营养学说；还认为植物固定的碳来自空气，而与有机肥料中的碳无关。

1840年，德国科学家J.von李比希在总结前人研究成果的基础上撰写出版了《化学在农业和植物生理学上的应用》一书，批判了腐殖质营养学说，提出了矿质营养学说。其主要观点有：植物不是以腐殖质为营养，而是以矿物质为营养；进入植物体内的矿物质不是偶然的，而是为植物生长和形成产量所必需的；植物需要10种营养元素，除了碳、氢和氧以外，其他营养元素是植物从土壤中以盐的形态吸收的；植物种类不同，对营养的需要量也不同，需要量的多少可通过测定营养正常的植物的组成来确定；对于植物的正常生长来说，多数土壤所提供的养料是不足的，通过施肥供给养料可以克服土壤养分的缺乏；有机物质（腐殖质）的作用在于改良土壤，并通过分解提供矿质营养和二氧化碳。李比希还提出了“归还学说”和“最小养分律”。“归还学说”认为，由于不断地栽培和收获作物，携走了作物从土壤中摄取的矿质营养，土壤养分将越来越少，如果不把这些矿质营养归还给土壤，土壤将变得十分贫瘠。因此必须把作物收获所带走的养料全部归还给土壤。这一论断为肥料工业的兴起和化学肥料的施用奠定了理论基础。“最小养分律”则认为，作物产量的高低决定于最小（最缺乏）的营养因子，如果这一因子得不到满足，即使其它因子充足，作物产量也不可能提高。1858年，W.克诺普（Knop）和J.V.萨克斯（Sachs）根据矿质营养学说，在用矿质盐类制成的人工营养介质上栽培植物完全成熟，证明了矿质营养学说的成功。

李比希的“矿质营养学说”和布森高的“氮素营养学说”的创立，标志农业化学作为一门学科的真正建立，是农业化学发展史上的一大里程碑。

李比希矿质营养学说的创立，为化肥工业的兴起奠定了理论基础。从1843年第一种人造肥料——过磷酸钙在英国投产以来的约一个半世纪中，全世界已生产和施用了数十种含有单一的或两种以上的植物必需营养元素的化肥。特别是在第一次世界大战以后，化肥的生产量和施用量猛增，作物产量也急剧上升，然而因大量施用化肥而产生的诸多问题（如施肥达不到预期产量、肥害、农产品品质下降、病虫害加剧、环境污染等）也相继出现，促使许多农业化学家尝试通过研究土壤肥力特征、肥料在土壤中的转化及消长规律、不同作物的营养特性等途径，以提出更为合理的施肥技术。

19世纪60年代，萨克斯和克诺普提出了溶液培养的研究方法，使10种大量的植物必需营养元素得以确定。20世纪初叶，高纯度化学药品被用以配制培养液，到1954年氯被确定为植物必需的微量营养为止，公认的植物必需营养元素已增至16种。与此同时，各种植物必需营养元素对植物的营养作用和生理功能也进一步明确；植物微量必需营养元素的发现，还为许多早期施肥失败现象和不知名的植物病症找到了原因。

20世纪20年代，俄国植物生理学家K.A.季米里亚捷夫（Тимирязев）设计出专用于研究植物营养与施肥的植物培养室，并通过研究得出结论认为，肥料是植物营养的源泉，合理施肥能改善植物体内的代谢活动和对外界不良环境的抗性。而早在19世纪60年代后期，俄国化学家Д.И.门捷列也夫（Менделеев）通过田间试验，认为要根据土壤肥力合理分配和施用肥料。在化肥施用量急剧增长的20世纪初，苏联农业化学家Д.Н.普里亚尼什尼柯夫以植物与其生活的外界环境条件相统一为理论基础，阐述了土壤、肥料和植物三者之间的相互关系。并强调指出，通过合理施肥能调节营养物质在植物体内和土壤中的变化和作用，改善植物生长发育的内在和外界条件，达到提高作物产量和品质的目的。这一论断在科学技术高度发展的今天，对农业化学的发展，尤其是对施肥技术的发展以及植物生长因子综合理论的实践仍具有广泛的现实意义。

随着植物生理学、生物化学、生物物理学、有机高分子化学、遗传学、分子生物学等学科向农业化学的渗透，以及电子显微镜、电子探针、质谱、光谱、色谱（尤其是高效液相色谱）、同位素示踪、电子计算机等各项技术在农业化学研究中的应用，农业化学的内容日趋广泛，农业化学研究更为深入。对根际（植物根系—土壤界面）环境、植物营养遗传性和植物有机营养等方面的研究已成为农业化学的新兴学科分支。

植物生长因子综合理论（包括农业化学）的运用，可能在近期内实现一场新的农业革命；遗传工程（包括植物营养遗传特性）在农业上的应用将是农业上更大的变革。

农业生态系统和农业生态平衡概念的明确和观点的树立，进一步推动农业化学在综合性和宏观性方面（如养分的循环与平衡、施肥的环境效应、土壤资源的维护和改良等）的研究，将为农业的加速、持续发展提供可靠的保证。