针对钠离子电池的研究始于20世纪60年代，其发展历程大致如下：
1967年，美国福特公司使用-氧化铝作为固体电解质，分别以单质（硫）和金属（钠）作为正负极材料，首次构建出高温钠硫电池。但该电池工作温度过高（300℃），难以实现商业化。
1976年，美国奥斯汀得克萨斯大学机械工程及电子工程系教授约翰·班尼斯特·古迪纳夫（John B. Goodenough）等人提出了新的电解质，即Nasicon型固体电解质，其具有更快的传导率。
1978年，来自南非Zebra Power Systems公司的J. Coetzer发明出钠-氯化镍（又被称为Zebra）电池，该电池的正极使用的是固态，负极为液态，电解质是固态陶瓷。
20世纪70年代，法国科学家米歇尔·阿曼德（M. Armand）提出了“摇椅式电池”（Rocking Chair Battery）的概念。
1980年，美国埃克森研究工程公司的杰拉尔丁·纽曼（Gerald H. Newman）等人实现了在TiS₂中的可逆脱嵌。
1981年，法国波尔多大学克劳德·德尔马（Claude Delmas）教授等人研究了层状氧化物正极的储钠性质，并提出了层状氧化物材料结构的分类方法。这一时期，含有其他过渡金属的层状氧化物正极材料（M为过渡金属元素）也陆续被提出。
20世纪80年代后期，锂离子电池研究兴起，而钠离子电池难以找到合适的负极材料，其研究工作停滞不前。
2000年，加拿大达尔豪斯大学史蒂文斯等人制备出储钠容量为300mAh/g的葡萄糖基硬碳，这是合适的负极材料，钠离子电池发展因此迎来了转折点。
2007年，加拿大滑铁卢大学化学系纳扎尔等人发现了一种聚阴离子型正极材料，使用这种材料作为正极的钠离子电池在脱嵌钠过程中体积形变仅为3.7%。
2010年以后，大量不同的钠离子电池正负极材料被发现。其中正极材料主要包括氧化物类、聚阴离子类、普鲁士蓝类和有机/转化类；负极材料主要包括碳基材料、钛基材料、有机材料和合金类材料等。
2011年，日本东京理科大学应用化学系的教授驹场等人分别使用和硬碳作为正极和负极，首次报道了全电池的性能。同年，全球首家钠离子电池公司Faradion于英国成立。
2013年，古迪纳夫等人报道了普鲁士白正极的正极材料，该材料具有良好的倍率性能。
2014年，中国科学院物理研究所胡勇胜等人首次发现可以层状氧化物正极材料的储钠容量，同时还提出一系列低成本铜铁锰基正极材料。
2015年，胡勇胜等人提出使用无烟煤制备无定形碳负极材料，为大幅度降低钠离子电池成本奠定基础。
2017年，北京中科海钠科技有限公司成立，专注于钠离子电池研发与生产。该公司于2018年设计了全球首辆搭载钠离子电池的低速电动车，又于2019年在100kWh储能电站上首次实现了钠离子电池的示范应用。