Attīstības vēsture 21. gadsimtā velosipēds ir daudzu cilvēku dzīves būtiska sastāvdaļa un izplatītākais “zaļais” transporta līdzeklis pasaulē. Velosipēds ir ātrs, veselīgs un lēts veids, kā no punkta A nokļūt līdz punktam B. Kopš renesanses zinātnieki un izgudrotāji sāka domāt par veidu, kā cilvēka ceļojumus padarīt vieglākus. Daži 16. gs. prototipi attālināti atgādina velosipēdu. Viens no senākajiem protovelosipēdiem ir tā dēvētais Leonardo da Vinči (Leonardo da Vinci) velosipēds. Tas redzams zīmējumā Leonardo “Atlantijas kodeksā” (Codex Atlanticus), kas radīts 16. gs sākumā. Šī kodeksa Madrides 1. manuskripta (Codex Madrid I) desmitajā lapā ir attēlots mūsdienīga izskata velosipēds, kuram spēka pārvads ir ķēde un zobrats. Madrides 1. manuskripts tika atrasts tikai 1966. gadā, un neviens izgudrotājs nekad nebija zinājis par Leonardo prototipu. Zinātnieki gan joprojām strīdas par to, kas ir šī zīmējuma autors, jo vienīgais uzraksts uz attiecīgās lapas ir Leonardo skolnieka un palīga vārds Salajs (Salaì, pilnā vārdā Gian Giacomo Caprotti da Oreno) –, iespējams, ka tieši talantīgais skolnieks ir šī zīmējuma autors. Lai gan Leonardo velosipēda zīmējums tiek uzskatīts par senāko velosipēda attēlojumu, nav ziņu, ka tas būtu ticis izmantots, lai radītu velosipēdu. Tāpēc par pirmo velosipēdu uzskata vācu barona, virsmežziņa un izgudrotāja K. fon Draiza izgudrojumu 1817. gadā, kad viņš patentēja velosipēdu, kuru nosauca par drezīnu. Tas bija primitīvs koka rāmis ar diviem vienāda izmēra ratiem, sēdekli un stūrējamu priekšējo dakšu. Šie skrienamie rati ātri izplatījās ne tikai visā Vācijā, bet arī Anglijā un 1819. gadā arī Ņujorkā. Savas primitīvās konstrukcijas dēļ tas bija vairāk piemērots izklaidei, nevis ceļojumiem. Priekšstats par velosipēdiem būtiski mainījās 19. gs. otrajā pusē. Tas bija laiks, kad inženieri un amatnieki aktīvi meklēja jaunus risinājums, kā papildināt velosipēda konstrukciju un padarīt to par konkurētspējīgu transporta līdzekli. Parīzes kariešu meistars E. Mišo savā darbnīcā sāka izgatavot velosipēdus ar pedāļiem un bremzēm. Mišo tipa velosipēds mainīja arī velosipēdu ražošanas tradīcijas. Iepriekšējie standarti ātri tika atmesti un jaunais standarts bija – metāla rāmis ar liela izmēra koka ratiem, apkaltiem ar dzelzs stīpu. Velosipēdam pievienojās mūsdienās ierasta lieta – bremžu sistēma. Tieši 19. gs. otrajā pusē cilvēki iepazinās ar jauno tehnikas brīnumu – personālo mehanizēto transportu. Jau 19. gs. 70. gados masveidīgi izplatījās velosacīkstes. Anglijā, Francijā, vēlāk Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV) nozīmīga loma riteņbraukšanas popularizēšanā bija jaundibinātajām riteņbraucēju biedrībām. Velosipēds kļuva par neatņemamu daļu visās tehnikas izstādēs – Pasaules izstādē Parīzē (Exposition Universelle, 1889) un citur.
19. gs. otrajā pusē velosipēda konstrukcijā parādījās tērauda aploku riteņi ar drāšu spieķiem, gumijas apriepojums, lodīšu gultņi, dažāda veida piedziņas mehānismi un zobratu sistēmas priekšējam dzenošajam ratam. Pēdējās svarīgās izmaiņas velosipēda konstrukcijā 19. gs. 80. gados veica Koventrijas firmas Starley & Sutton īpašnieks Džeimss Stārlijs (James Starley). Viņam izdevās veiksmīgi adaptēt jau zināmo augstrata konstrukciju ikdienas lietošanai parastu cilvēku vajadzībām. Dž. Starleja vieglais un ātrais “drošais” (safety) velosipēds ar vienāda izmēra ratiem un ķēdes pārnesumu ļoti ātri kļuva populārs visā pasaulē, aizvietojot masīvo Mišo velosipēdu un nedrošo augstratu.
Velosipēda izgudrošana pamudināja cilvēkus nodarboties ar fiziskiem vingrinājumiem un sports pirmo reizi kļuva populārs tautas vidū. Piemēram, Krievijā riteņbraukšana bija gandrīz sinonīms vārdam “sports”. Krievijas Impērijas olimpiskās kustības aizsācējs, vācu izcelsmes futbolists un sporta vēsturnieks Georgijs Djuperons (Георгий Александрович Дюперрон) savā grāmatā “Fiziskās kultūras teorija” (Теория физической культуры, 1930) rakstīja, ka tieši riteņbraukšana izveidoja sportu Krievijas Impērijā.
Pirmās lielās riteņbraukšanas sacensības notika 1868. gadā Senklū pilsētā Francijā un piesaistīja lielu cilvēku uzmanību. Nākamajos gados par sacensībām interesējēs jau visā Rietumeiropā, savukārt 1891. gadā notika pirmās starptautiskās sacensības Bordo–Parīze. Līdz ar pneimatiskās riepas izgudrošanu braukšana ar velosipēdu kļuva vēl ērtāka, arī ātrāka. Braukšana ar velosipēdu, ar kuru varēja sasniegt ātrumu līdz 40 km/st, fascinēja skatītājus. Drošais velosipēds kļuva pieejamāks vidusslāņa cilvēkiem, kas izraisīja cilvēku interesi par velosportu. Starptautiskā Olimpiskā komiteja (franču Comité International Olympique, CIO, angļu International Olympic Committee, IOC) pieņēma lēmumu iekļaut vairākas velosporta disciplīnas pirmo olimpisko spēļu programmā Atēnās 1896. gada 8. aprīlī.
20. gs. pirmajā pusē Eiropā riteņbraukšana pakāpeniski kļuva aizvien nozīmīgāka, bet ASV no 1900. līdz 1910. gadam notika pretējais – priekšroka tika dota automobiļiem. 20. gs. 20. gados ASV velosipēdus pakāpeniski sāka uzskatīt par bērnu rotaļlietu, līdz 1940. gadam lielākā daļa velosipēdu ASV tika ražoti bērniem.
Velosipēdi turpināja attīstīties, lai atbilstu dažādām braucēju vajadzībām. Velotūristiem Francijā no 1900. līdz 1910. gadam tika izveidota pārnesumkārba, kas laika gaitā tika pilnveidota. Tikai 1930. gados Eiropas velosporta organizācijas ļāva sacīkšu braucējiem izmantot pārnesumus. Līdz tam braucēji bija spiesti izmantot tikai divu ātrumu velosipēdus: aizmugurējam ritenim abās riteņa rumbas pusēs bija zobrats – lai pārslēgtu pārnesumus, braucējam bija jāapstājas, jānoņem ritenis, jāapgriež ritenis un atkal tas jāuzliek. Kad braucējiem tika atļauts izmantot pārnesumkārbas, laiks sacensību distances veikšanai samazinājās.
Otrā pasaules kara laikā velosipēds bija īpaši aktuāls. Kara sākumā lielas armijas nebija pietiekami mehanizētas un velosipēds bija viens no izplatītākajiem transportlīdzekļiem karavīru vidū. Īpaši iecienīts tas bija Vācijas armijā, kur velosipēdus izmantoja gan kājnieki, gan desantnieki mobilitātei. Gaisa desanta operācijas “Merkur” laikā Krētā arī tika izmantoti velosipēdi. Tā bija pirmā reize, kad vācu izpletņlēcēji izmantoja īpašus saliekamus desanta velosipēdus.
Pēc Otrā pasaules kara velosipēds kļuva īpaši populārs Ķīnas Tautas Republikā (ĶTR). “Lidojošais balodis” (飛鴿) bija galvenā velosipēdu velosipēdu ražotne ĶTR. Velosipēds bija valdības oficiāli apstiprināts transporta veids, un ĶTR kļuva pazīstama kā velosipēdu karaliste (自行车王国). Velosipēds līdzās šujmašīnai un pulkstenim tika uzskatīts par vienu no trim “obligātajām lietām”, kam jābūt katra pilsoņa īpašumā.
Jauna parādība 20. gs. bija BMX velosipēds. BMX velosipēdi ir īpaši konstruēti velosipēdi, kuriem parasti ir 40 līdz 60 cm (16 līdz 24 collas) riteņi (parasti ir 50 cm (20 collas) riteņi). Tie tika radīti Kalifornijas pavalstī ASV 20. gs. 70. gadu sākumā, kad pusaudži ar saviem velosipēdiem atdarināja savus motokrosa elkus. BMX velosipēdus ir ļoti viegli pārveidot. BMX velosipēds kļuva ļoti populārs 20. gs. 90. gados. Pastāv dažādas BMX disciplīnas un katrai ir nepieciešams savs unikālas konstrukcijas velosipēds.
20. gs. 80. gados velosipēdisti sāka pakāpeniski pāriet no velosipēdiem, kas paredzēti tikai braukšanai pa ceļu, uz visurgājējiem, piemēram, kalnu velosipēdiem. Kalnu velosipēds ar izturīgu rāmi un kravnesību bija daudzpusīgs kā specializēts velosipēds, pārņemot un apvienojot citu modeļu funkcijas. Šiem velosipēdiem bija izturīgāki rāmji, platākas riepas, vertikālāka sēdpozīcija (lai nodrošinātu labāku redzamību un ķermeņa svara pārvietošanu), kā arī ļoti dažādas priekšējo un aizmugurējo pārnesumu konstrukcijas. Ap 2000. gadu kalnu velosipēdu pārdošanas apjoms ievērojami pārsniedza sacīkšu, sporta un tūrisma velosipēdu pārdošanas apjomu.