17-18世纪：单反结构的早期运用
尽管“单反”这一名词是伴随照相机而流行起来的，但在摄影术诞生之前，“单反”作为一种成像方式就已经得到了应用。早在1685年，德国修道士约翰•图恩（John•Thun）发表了由他设计的单反式暗箱。而到了18世纪中叶，画家们已经把单反式暗箱当作重要的写生工具。暗箱（Camera Obscure）这个产物可以说是照相机的雏形，早在15世纪末期的文艺复兴时代，达芬奇在其著作中就描述了这种用于写生和绘画的工具。到了18世纪，暗箱得到了广泛应用，并衍生出用于描绘肖像、静物的小型暗箱；以及用于记录户外风景的手提型暗箱。
单反式结构比目视更容易得到正确的距离感，并且由于反光镜的90度折射，通过凸透镜所形成的影像虽然在左右方向上仍然是相反的，但在上下方向上却变成了我们所习惯的正像。值得一提的是，单反式暗箱大多采用前后移动反光镜与聚焦玻璃的方式进行对焦。这种设计理念，对早期的照相机产生了深远的影响。
1861年：第一个单反相机专利
1826年，法国人约瑟夫•尼塞福尔•尼埃普斯（Joseph Nicéphore Nièpce）研制出了世界上第一台相机，并用它拍摄了第一张永久照片《窗外》。35年后，英国人托马斯•萨顿（Thomas Sutton）取得了首个单反相机的设计专利。不过，早期单反相机存在操作复杂、实用性低等问题，因此没有得到人们的认同。时至今日，我们已经无法找到关于这份设计专利的更多资料和照片了。
同在1861年，托马斯•萨顿还发明了一款全景相机。它以一枚充满水的玻璃球作为镜头，能在弧形玻璃板材上记录约140度的宽视角画面（当时常规相机只能记录40-55度视角）。萨顿发明的这种全景相机被命名为“萨顿全景相机”，这种相机共生产了约30台，其中一台在2006年伦敦佳士得拍卖会上，以33600英镑（约合63571美元）的价格成交。
1884年：首款量产型单反相机
首款量产型单反相机诞生于1884年，它是美国人卡滨•雷•史密斯（Calvin Rae Smith）制造的Monocular Duplex。从外形上，这款产品与早期的单反式暗箱非常相似；而在内部结构上，反光镜除了用于取景外，还兼作快门使用。
19世纪末至20世纪初：焦平面快门的发展
19世纪末期，伴随焦平面快门的出现，单反相机进入了一个快速发展的新阶段。1897年，由德国人黑泽基尔（Dr. Hesekiel）发明的Spiegel Reflex，具备一个狭缝速度可调的焦平面快门。在拍摄时，使用者需要现在相机内部设置快门速度，然后在一张照片拍摄完成后，再手动将快门幕帘回复到关闭状态，整个拍摄步骤相当繁琐。
直到1909年，英国公司亚当斯（Adams & Co.）生产的焦平面快门终于实现了前后幕帘联动、后帘自动闭合的功能。此时的曝光时间已经可以在相机外部进行控制，并且最高快门速度也达到了1/1000秒。得益于焦平面快门技术的发展，单反相机不仅进入了实用化阶段，同时还逐步开始占领高端摄影器材市场。