История создания виолончели совпадает с историей скрипки. Предком обоих инструментов является виола. В истории музыки установилось довольно прочное убеждение, что этот инструмент ведёт свою родословную от старинной "ножной виолы", известной под именем viola da gamba. В противоположность гамбе, некоторые разновидности виолы, и в частности, — viole d'amour, имели под грифом ряд созвучных "гармонических" струн, настроенных точно с основными. Подлинный "бас виолы" с шестью струнами не имел этих созвучных струн.
Впрочем, одна разновидность басовой виолы — viola bastarda, получила эти "созвучные струны", что произошло значительно позднее и в правило для гамбы так и не вошло.
Появление виолончели относится к кону XV и началу XVI века в результате длительного развития народных смычковых инструментов. Первоначально она применялась как басовый инструмент в различных ансамблях, для сопровождения пения или исполнения на инструменте более высокого регистра (скрипке, флейте и т.д.).
До 2-й половины XVII в. носила названия violoncino, Basso di Viola da braccio (итальянское), Basse de violon (франц.), Ba Viol de Braccio (нем.) и др. Существовали многочисленные разновидности виолончели. Инструменты делались различных размеров (часто больших) и обычно имели строй В1, F, с, g (чаще всего встречалась настройка на тон ниже современной).
Одно из наиболее ранних указаний на современный строй приводит (по отношению к Bass Geig de Braccio) M. Преториус ("Syntagma musicum", Bd II, 1619). В XVI-XVII вв. встречались также 5- и 6-струнные инструменты этого типа.
В истории виолончели упомянуты лишь два прославившихся мастера, сконструировавших виолончель: Гаспаро да Сало и Паоло Маджини.
Они жили на рубеже ХVI - ХVII столетия и первому из них народная молва приписывала честь «изобретения» современной скрипки с четырьмя струнами, настроенными квинтами, усовершенствование violone, или контрабаса виолы и наконец, создание виолончели. Первые мастера, строившие виолончели не совсем еще ясно представляли тот верный путь в развитии современной виолончели.
Современный вид инструменту придал уже Антонио Страдивари.
В XVII—XVIII веках в Италии усилиями выдающихся музыкальных мастеров итальянских школ (Николо Амати, Джузеппе Гварнери, Антонио Страдивари, Карло Бергонци, Доменико Монтаньяна и др.) была создана классическая модель виолончели с окончательно устоявшимся размером корпуса.
Лишь в начале XVIII в. твердо устанавливается современный размер виолончели (длина корпуса 750-768 мм; мензура, т. е. колеблющаяся часть струны, - 690-705 мм). Больших успехов в изготовлении виолончели достигли русский мастер И. А. Батов (1767-1841) и современные мастера Е. А. Витачек, Т. Ф. Подгорный, Г. Н. Морозов, H. M. Фролов, Я. И. Косолапов, Л. А. Горшков. Известны также отличные виолончели французских (Ж. Б. Вильом, М. Лабер), немецких, чешских и польских мастеров.
В конце XVII века появились первые сольные произведения для виолончели ― сонаты и ричеркары Джованни Габриэли. По-видимому, название «виолончель» было впервые применено в изданном в 1665 в Венеции сборнике сонат Дж. Ч. Аррести для 2 и 3 голосов с добавлением партии виолончели. ("con la parte del Violoncello a beneplacito").
К середине XVIII века виолончель начинает использоваться как концертный инструмент, благодаря более яркому, полному звуку и улучшающейся технике исполнения окончательно вытесняя из музыкальной практики виолу да гамба. Виолончель стала широко распространена как сольный инструмент, группа виолончелей применяется в струнном и симфоническом оркестрах, виолончель — обязательный участник струнного квартета, в котором является самым низким (кроме контрабаса, который иногда в нём применяется) из инструментов по звучанию, также часто применяется в других составах камерных ансамблей. В оркестровой партитуре партия виолончелей пишется между партиями альтов и контрабасов. Окончательное утверждение виолончели как одного из ведущих инструментов в музыке произошло в XX веке усилиями выдающегося музыканта Пабло Казальса. Развитие школ исполнения на этом инструменте привело к появлению многочисленных виолончелистов-виртуозов, регулярно выступающих с сольными концертами.