粒子加速器是用来加速粒子的机器，是物理学家研究微观世界不可缺少的工具。
20世纪初，英国科学家卢瑟福利用高速α粒子轰击氮原子核，实现了世界上首次人工核反应，揭开了原子核内部的秘密。他使用的α粒子来自天然放射性元素镭。铀虽然也能放射α粒子，但数量太少，远不如镭。而自然界中镭非常稀有，很难提取，无法大量使用，导致很多核反应实验无法进行。为此，物理学家们非常苦恼，开始琢磨是否有不用镭而获得高速粒子的方法。
1932年，英国科学家科克罗夫特和爱尔兰科学家沃尔顿合作发明了世界上第一台直线粒子加速器，其原理是在加速电极之间加上超高电压，并将质子放在抽成真空的加速管中进行加速，获得最高能量为70万eV的质子流，最后打在锂靶上，与锂原子核发生核反应。这是世界上第一次用人工加速粒子轰击原子实现的核反应。由于这项成就，他们二人共同获得了1951年的诺贝尔物理学奖。
同一时期，美国科学家劳伦斯发明了世界上第一台回旋粒子加速器，其原理是利用磁场使带电粒子在两个扁平的高真空D形盒中作圆周回旋运动，同时利用高频交变电场反复加速。首台实用型加速器磁极直径为0.27m，被加速粒子的能量可达到120万eV。劳伦斯通过加速质子、氚核和α粒子去轰击靶核，得到了高强度的中子束，还首次制成钠24、磷32、碘131等多种人工放射性同位素，因此他荣获了1939年的诺贝尔物理学奖。
在劳伦斯的主持下，美国加州大学伯克利分校建成磁极直径0.94m的回旋加速器，使粒子能量达600万eV。研究人员用它测量了中子的磁矩，并用氚核轰击钼，产生了第一个用人工方法制得的元素锝。此后，劳伦斯又主持建成磁极直径1.52米的大型回旋加速器，研究人员用这些高能量的“炮弹”轰击其他原子核，产生了许多新的核反应，使普通的物质转变为放射性比镭还要强的人工放射性物质，由此发现了一系列超铀元素。
早期的加速器都是用高速粒子轰击静止中的靶核，1960年，意大利科学家陶歇克首次提出，采取两束高速粒子对撞的方式可以使加速的粒子能量充分得到利用。同年，在意大利的佛朗西斯国家实验室建成直径约1m的电子对撞机。
此后建成的粒子加速器基本都以对撞机的形式出现，加速器的体积越建越大，能量也越来越高。在高能物理研究领域，几乎所有重大的发现都是在粒子加速器上完成的。