说到沥青，人们首先想到的是黑乎乎的沥青马路。实际上我们现在常见的沥青大多是石油炼制工艺的副产物，而石油炼制自十九世纪才出现，但是沥青的应用历史可追溯至旧石器时代，在石油沥青出现以前，天然沥青就已被人类开采和使用。
沥青的应用史伴随着人类发展史的进程，在璀璨的人类文明及文化瑰宝中都能看到天然沥青的身影。旧石器时代的工具制造，古巴比伦空中花园、罗马帝国、庞贝古城、罗马士兵手中的武器、古埃及木乃伊的制作、幼发拉底河的平底船、圣经中摩西藏身的蒲草箱、古美索不达米亚贵族的装饰品等。
1996年法国考古学家发现，从旧石器时代中晚期开始，天然沥青就被当作粘结剂将石器与木质或者骨质的柄连接，方便使用。人类自从旧石器时代中晚期发现沥青可以用于工具制造以来，对天然沥青的开发和利用就没有停止过。
除胶结料外，沥青还被作为防水材料，如木船连接处防渗，宫殿和庙宇的墙壁及地面涂装，城市道路建设等，包括古巴比伦巴别塔遗址和世界七大奇迹之一的空中花园，希腊历史学家希罗多德说过沥青被广泛应用于古巴比伦的房屋建筑和道路建设中。巴比伦空中花园最令人称奇的地方在于其供水系统。因为巴比伦雨水不多，而空中花园遗址离幼发拉底河较远，研究人员认为空中花园有不少输水设备，奴隶不停推动连系齿轮的把手，将水运至最高层的蓄水池，再经人工河流向地面。一般建筑物常年经受水流的侵蚀而不倒塌是不可能的，天然沥青在空中花园的建设中发挥至关重要的作用，研究人员认为制造空中花园的砖块是用芦苇、沥青以及瓦混合制成的。
古代两河流域的人们使用芦苇和沥青制作平底船至今仍是幼发拉底河航运的主要工具。并且沥青还能保证船体防腐，防止虫咬。圣经中记载摩西的母亲就是在蒲草箱抹上石漆及石油（即煤焦油和沥青），把婴儿摩西放进箱子中，将箱子放入河中顺水漂流。
除此之外，沥青还被用于装饰物的制作，大英博物馆、卢浮宫博物馆内陈列的古美索布达米亚南部重镇苏美尔古代贵族墓葬中的陪葬品，包括许多牙雕，宝石饰物，戒指项链O都不同程度的使用了沥青作为粘合剂。
古代人们还将沥青作为有效的药物使用，古埃及人将沥青与其他香料药物混合涂抹在尸体上制作木乃伊，防腐效果显著。
沥青还曾用于军事，古罗马人使用弓箭等发射的火箭就使用天然沥青作为燃烧材料。
罗马帝国时期，沥青被称为“犹太沥青”。公元前100年，庞贝古城的罗马大道使用沥青填充接缝和涂抹外层。
公元1000年，阿拉伯人开始从天然沥青中提取沥青。
1712年一位希腊医生在瑞士发现了储量巨大的沥青矿。一开始他只是对沥青的医药用途感兴趣，但是由于沥青作为工程材料的优良特点，他最终于1721年完成了《关于沥青的博士论文》，为现代沥青工艺的研究奠定基础。从1712年被发现， 到1812年，沥青还只是零星地应用于医药领域。直到1873年，沥青矿才被大规模工业化开采，从1873年至1986年这一百多年间，数以万计的沥青通过总长度超过100公里、错综复杂的矿井隧道， 被运输出来并销往世界各地。不过现在，这个矿井已经废弃不用，部分开辟为博物馆，供游客参观。
1810年，沥青玛蹄脂铺筑路面在里昂被首次运用。十年以后在热那亚出现现代沥青油毛毡的前身。
1838年，在普鲁士的汉堡出现第一条沥青铺装道路。
1842年，在奥地利的因斯布鲁克，浇注沥青被发明并应用于道路工程中。
1850年前后，法国首先将岩沥青用于道路路面，1854年巴黎修筑了接近现在的薄层沥青路面，是当时最先进的路面结构。
1853年，有人提出了沥青混凝土的概念。
1871年，有人在纽约把砂、碎石、特立尼达湖湖沥青用以铺筑沥青路面并获得成功，并获得施工专利，这是近现代热铺湖沥青路面的开始。
1872年华盛顿市把过去岩沥青路面施工法和应用石灰石粉、砂、掺以湖沥青及石油残渣油的施工法做比较，证明两者都能适应当时的交通要求，这也是石油残渣渣油首次应用于路面。在此之前用到的沥青全部为天然沥青。
1885年以汽油为动力的汽车出现，1887年气压轮胎出现。由于汽车荷载与马车的不同，为了适应荷载的需要，美国人在石粉，砂，湖沥青的混合料中加入碎石，即下层为粗级配沥青混凝土与上层沥青砂两层摊铺，一层碾压而成的双层式沥青混凝土路面，这是沥青混凝土路面的由来。
20世纪随着炼油工艺的进步，石油沥青以其相对低廉的价格、巨大的产量，以及便于施工的优点，逐渐取代天然沥青成为路面铺筑材料的主角。近现代天然沥青更多的被应用于油墨、油漆的原料及屋面防水材料、沥青混合料的添加剂等领域。
实现天然沥青的液化，并将其粘滞性及硬度调整到最佳状态，将是天然沥青重返沥青路面铺筑市场的契机。