棉属植物的祖先起源于5~10亿年前的泛古陆，在漫长的进化过程中形成了数量众多的近源属种。随着板块运动，大洋洲陆地与古大陆分开，便形成了南半球棉属二倍体种——澳洲棉的起源中心。留在古大陆上的棉属类群，随着古大陆的再次分离，又形成了两个二倍体种——美洲棉和亚非洲棉的起源中心。白垩纪末期（约1亿年前），热带森林逐渐变为干旱的草原、沙漠，锦葵科的一些植物类群也逐渐向旱生化发展，大约1 250万年前进化出了棉属植物。随着分布区气候和生态条件的变化以及地理隔离，不同区域的棉种也向着不同方向独立进化。一些岛屿上也形成了特有棉种，例如加拉帕戈斯群岛上的戴维逊氏棉。
棉花的栽培种起源于热带、亚热带的干旱地区和荒漠草原，草棉和亚洲棉是二倍体棉，祖先均为非洲野生棉；陆地棉和海岛棉则是100~150万年前，由两个二倍体种通过天然种间杂交、染色体加倍后形成的。
棉花驯化的历史大致分为两个阶段。第一阶段主要发生在热带（印度、墨西哥、西非等地区），野生型棉花过渡到原始的多年生木本型，又转变为多年生丛生型，保留了短日照和秋冬结实的特点。随着人类需求的增加，生长期短、早熟的丛生型棉花被选择出来。棉花驯化的第二阶段主要发生在亚热带，在自然选择和人工选择的共同干预下，棉花进化出了早熟、耐弱光照、夏季结实等特性，培育出了纤维品质好、适应性广、生产力高的一年生草本型棉花。在近代科技发展的支持下，育种家针对更大规模的消费需求以及更高效率种植方式的要求，不断进行棉花品种改良，选育出了满足各种需求的棉花品种。
