希腊天文学家喜帕恰斯（c. 190 – c. 120 BCE）称许埃拉托斯特尼（276 – 194 BCE）是环形球仪的发明者。此设备的名称最终的来源是拉丁文的圆环（armilla），因为它有一个有刻度的金属圈连结极点，还有代表黄道、赤道、子午圈和平行圈。 通常，在它的中心有一个球代表地球，以后改成太阳。 它也用来演示恒星环绕地球的运动。在17世纪，望远镜在发明之前，环形球仪是欧洲天文学家测量天体位置的主要工具
它最简单的形式是一个固定在赤道平面上的圆环，这种环形球仪是一种最古老的天文仪器。稍后它有了改进，有另一个圆环穿过平面并固定在子午线上。第一个是二分圈，第二个是二至圈（可能类似于简仪）。组合的环被以等分的角度刻画，阴影被用来指示太阳的位置，就成为环形日晷。当更多的大圆组合代表着天球上不同的环圈时，这个仪器就是浑仪。
埃拉托斯特尼最有可能是使用分至圈来测量黄道的转轴倾角；喜帕恰斯使用的环形球仪可能有四个环。托勒密在他的著作Syntaxis（第五册第一章）描述了他的仪器，它包含了一个有刻度的环圈，在里面还有一个可以滑动，由在直径两端的两个小管来移动。这台仪器有着垂圈和分度圆。
在公元前三世纪，希腊人已经将环形球仪开发成教学工具。更大和更精密的形式则被作为观测仪器。
在中国历史上，天文学家曾经创造浑象（celestial globes，天球仪）来协助观察恒星。中国也使用浑仪（英文也是armillary sphere）以协助制历和进行历算的计算。在韩国，也得利于中国的天文思想和天文仪器进一步发展。
根据李约瑟的研究，环形球仪的发展最早可以追溯至公元前四世纪的石申和甘德，他们已经配置了原始的单环环形球仪。这让他们可以测量各个星宿的去极度（纬度）和经度（赤经）。李约瑟推算的日期，公元前四世纪，否定了英国汉学家克里斯多夫·卡伦仁所追溯这些设备出现在公元前一世纪的观点。
西汉（202 BCE - 9 CE）的天文学家，落下闳（Luoxia Hong）、Xiangyu Wangren和耿寿昌（Geng Shouchang）发展并制造出早期阶段的环形球仪。在公元前52年，天文学家耿寿昌介绍了第一个有永久固定赤道环的环形球仪。在随后的东汉时代（公元23-220年），天文学家符安（Fu An）和贾奎（Jia Kui）在公元84年添加了黄道环。著名的政治学家、天文学家兼发明家张衡（Zhang Heng，公元78-139年）在公元125年将地平圈和子午环加入，完成了浑仪。张衡还完成世界上第一座由水力驱动的浑仪，它是利用水流转动由擒纵器控制速度的浑仪（参见浑仪、水运仪象台条目，有更详细的介绍）。
汉朝以后的发展，让环形球仪的使用有了许多改进与演变。在公元323年，天文学家Kong Ting重新组合了浑仪的环，以便黄道可以和赤道在任何需要的点上结合。之后，唐朝的李淳风（Li Chunfeng）在公元633年使用三层环的环形球仪，称为'nests' (chhung)，从多方位来校准天文观测。他也负责安装窥管的一项计划，以使纬度的观测能更为精确。然而，到了下个世纪，一行（Yi Xing，参见下文）才完成在浑仪内安装窥管的工作。在1050年，Zhou Cong和Shu Yijian为环形球仪安装了赤道装置，沈括（Shen Kuo）在11世纪晚期也做了相同的改进。但直到欧洲的耶稣会士来到中国，他们才不再使用浑仪。
清朝的天球仪（浑象）。
在唐朝开元十一年（公元723 年），一行和尚和兵曹参军梁令瓒（Liang Ling-zan）组合完成张衡使用擒纵器的浑象，每15分钟便会击鼓，整点便会摇铃的自动装置，也就是报时钟。苏颂著名的水运仪象台在元祐七年（公元1092年）落成，如同一行的浑象使用擒纵器，并用水车将漏壶注满水来推动。这架仪器上下分三层；上层是浑仪（天体测量之用），中层是浑象（天体运行演示），下层是司辰（自动报时器）。司辰有机械操作的小人偶，可以打开钟楼的门，定时击鼓或摇铃，可以精确报时。还有政治家兼科学家的沈括（公元1031-1095年），曾任司天监，是热心的天文学者，改进和设计了许多天文仪器：日晷、擒纵器、浑仪和固定观察北极星以瞄准极点的窥管。
韩国的发明家蒋英实奉朝鲜世宗之命打造浑仪，在1433年完成，命名为혼천의（Honcheonui ）。
1669年，韩国天文学家Song Iyeong重新打造浑仪，做为一座天文钟。这座天文钟高度重视制作的技术，是朝鲜王朝留下的唯一一座天文钟。
波斯和阿拉伯天文学家将公元8世纪的希腊环形球仪改良，并由波斯天文学家Fazari（d.c.777年）撰写出论文Dhat al-Halaq或The instrument with the rings（圆环的仪器）。Abbas Ibn Firnas （d.887年）为哈里发默罕默德（852-886年的统治者）制造了另一个有圆环的仪器（环形球仪）。球形等高仪是等高仪和环形球仪变化出来的，是中世纪伊斯兰黄金时代的发明。对球形等高仪的描述，最早可以追溯到波斯天文学家Nayrizi（fl. 892-902）。穆斯林的天文学家也独立发明了环形球仪，主要用来解决球面天文学的问题。现今，世界上还留存了126件这一类的仪器，最早的制作于11世纪。太阳的高度，或是恒星的赤经和赤纬，都可以从球上的环输入观测者的地理经度，计算出来。
桑德罗·波提切利，c. 1480，画作中环形球仪。
在10世纪晚期，环形球仪经由在安达鲁斯的教宗西尔维斯特二世（r. 999–1003）的介绍传入西欧。教宗西尔维斯特二世使用窥管和这种仪器确认了当时的北极星和纪录与测量了赤道和热带。
第谷·布拉赫（1546－1601）在仪器设计上有了进展，他精心设计的环形球仪进入了等高仪的领域，并绘制在他的新天文学仪器（Astronomiae Instauratae Mechanica）。
环形球仪是第一个复杂的机械设备，它们的发展在许多机械设备的技术和设计上导至了许多改进。文艺复兴的科学家和公众人物经常在他们画像的手上展示一个环形球仪，代表最高的智慧和知识。
环形球仪也是很有用的教具，框架可以描述天球，系列的环形成代表天空的大圆，而在轴上旋转的代表地平线。中心的球代表地球的是托勒密的宇宙；中心的球是太阳的，是哥白尼的宇宙。
目前，自从曼纽一世时代，环形球仪就出现在葡萄牙国旗和国徽上。
在1980年代，爱蜜利萨维奇-史密斯在喀什米尔和拉合尔发现一些没有任何缝隙的天球。[来源请求] 空心的物体通常使用两半来浇铸，尽管滚塑成型等技术在1960年代已经被使用，同样可以产生无缝的球体，但是萨维奇-史密斯指出铸造一个无接缝的球体被认为是不可能的。在喀什米尔发现最早的无接缝球是由中世纪天文学家和冶金学家Ali Kashmiri ibn Luqman 在1589-90年（AH998），阿克巴大帝的时期；另一个是在1659-60年（1070AH），穆罕默德·萨利赫赋予阿拉伯文和梵文题字；最后一个是由印度天文学家和冶金学家 Lala Balhumal Lahuri，在Jagatjit Singh Bahadur统治期间，于1842年在拉哈尔制造的。总共制造了21个这样的球，而这些也是迄今保存无接缝球体的唯一例子。这些蒙兀儿冶金学家是使用脱蜡铸造的法来生产这些球。
