Sporta bioķīmija par patstāvīgu zinātnes nozari izveidojās 20. gs. sākumā. Tās attīstībā ir pirmspienskābes (no 1808. gada), pienskābes (no 1907. gada), fosforilēšanās (no 1930. gada) un miozīna periods (no 1939. gada). Pirmspienskābes periodā veikti vairāki nozīmīgi atklājumi, no kuriem vēlāk attīstījās pētījumu virzieni. Pirmo reizi pienskābi konstatēja dažādos ķermeņa šķidrumos: medībās nodzīta brieža gaļas ekstraktā (1808), asinīs cilvēkam pēc nāves (1843. un 1851. gadā) un dzīva cilvēka asinīs (1858). 1864. gadā pirmo reizi izdalīja miozīnu, 1886. gadā atklāja citohromu c un sāka pētīt oksidēšanās reakcijas. Pienskābes periods sākās 1907. gadā, kad eksperimentāli novēroja pienskābes veidošanos hipoksijas apstākļos izolētos vardes kāju muskuļos. 1920. gadā Oto Frics Meierhofs (Otto Fritz Meyerhof) konstatēja, ka pienskābe veidojas no glikogēna. 1922. gadā Arčibalds Vivians Hils (Archibald Vivian Hill) atklāja, ka pienskābe var būt enerģijas avots muskuļu kontrakcijām (O. F. Meierhofam un A. V. Hilam 1922. gadā tika piešķirta Nobela prēmija).
Fosforilēšanās periods sākās 1930. gadā, kad uzmanības centrā bija jautājums par to, kas ir enerģijas avots muskuļu kontrakcijām. Tika atklāts kreatīnfosfāts (1927). Nedaudz vēlāk tika noskaidrots, ka tas ir enerģijas avots muskuļu darbam. Universālo enerģijas avotu – ATF – 1929. gadā atklāja Karls Lomans (Karl Lohmann). Glikolīzes galvenos starpproduktus 1933. gadā noskaidroja O. F. Meierhofs un Gustavs Georgs Embdens (Gustav Georg Embden). Piedaloties Jakubam Karolam Parnasam (Jakub Karol Parnas), 20. gs. 40. gadu sākumā pilnīgi atklāja glikolīzi (Embdena-Meierhofa-Parnasa ceļu: glikogēnam (glikozei) oksidējoties par pienskābi 11 secīgās reakcijās, sintezējas ATF). Aerobās oksidēšanās reakcijas – Krebsa (citronskābes, trikarbonskābju) ciklu – 1937. gadā atklāja Hanss Ādolfs Krebss (Hans Adolf Krebs). 1953. gadā viņam tika piešķirta Nobela prēmija.
Miozīna periods sākās 1939. gadā, kad Vladimirs Engeļgarts (Владимир Александрович Энгельгaрдт) un Miļica Ļubimova (Милица Николаевна Любимова) atklāja, ka miozīns ne tikai veido muskuļu masu, bet tas arī ir enzīms, kas darba laikā hidrolizē ATF. Miozīns bija zināms kopš 1864. gada, kad Vilhelms Frīdrihs Kīne (Wilhelm Friedrich Kühne) to izdalīja un deva tam tagadējo nosaukumu. Aktīnu 1943. gadā atklāja Alberts Sentģerģs Naģrāpolti (Albert Szent-Györgyi Nagyrápolti) un Bruno Ferencs Straubs (Brunó Ferenc Straub). Nerva impulsa nozīmi muskuļa kontrakcijā 1949. gadā atklāja Endrjū Fīldings-Hakslijs (Andrew Fielding Huxley) un Alans Loids Hodžkins (Alan Lloyd Hodgkin). A. Hakslijam un A. L. Hodžkinam 1963. gadā tika piešķirta Nobela prēmija. Muskuļu kontrakcijas slīdošo pavedienu teoriju 1954. gadā atklāja reizē divas pētnieku komandas: A. F. Hakslijs un Rolfs Nīdergerke (Rolf Niedergerke) un Hjū Esmors Hakslijs (Hugh Esmor Huxley) un Džīna Hensone (Jean Hanson). Tam laikam revolucionāro teoriju zinātnes pasaule pēc ilgām domstarpībām pieņēma tikai 1972. gadā.
Garš atklāšanas ceļš bija oksidatīvajai fosforilēšanai, kura ietver oksidēšanos – Krebsa ciklu, elektronu transporta ķēdi un ATF sintēzi. Bioloģisko oksidēšanos sāka pētīt jau 19. gs., kad ieviesa terminu "oksidāze", kas apzīmē fermentu, kas oksidē kādu vielu. 1910.–1912. gadā tika pierādīts, ka aerobo oksidēšanos inhibē cianīdi. 20. gs. 20. gadu sākumā, zinot, ka oksidēšanās reakcijā no vielas atšķeļ ūdeņradi (H), ieviesa terminu "dehidrogenāze", lai apzīmētu fermentu, kas šo reakciju veic. Tā kā H atoms sastāv no protona (H+) un elektrona (e-), var uzskatīt, ka, oksidējot vielu, no tās atšķeļ protonus un elektronus. Elektronu transporta ķēdes atklāšana sākās ar Deivida Keilina (David Keilin) 1925. gadā atklāto citohromu c. Šo vielu, tolaik sauktu par elpošanas pigmentu, jau 1886. gadā bija atklājis Čārlzs Aleksandrs Makmanns (Charles Alexander MacMunn), bet D. Keilins vielai deva tagadējo nosaukumu –"citohroms c" – un pierādīja tā piedalīšanos aerobajā oksidācijā. Trīs citohromu (a, b un c) ķēde dehidrogenāžu atšķeltos elektronus nodod cits citam un beigās – skābeklim. D. Keilina pētījumus turpināja Oto Heinrihs Varburgs (Otto Heinrich Warburg). 1931. un 1944. gadā viņam piešķīra Nobela prēmiju. O. H. Varburgs šo citohromu ķēdi nosauca par elpošanas ķēdi, bet Deivids Ezra Grīns (David Ezra Green) vēlāk – par elektronu transporta ķēdi. 1928.–1933. gadā O. H. Varburgs noskaidroja struktūru citohromu hēma grupām, kuras tieši iesaistītas elektronu transportā. 1948. gadā Alberts Lesters Lēnindžers (Albert Lester Lehninger) atklāja, ka oksidatīvā fosforilēšanās notiek mitohondrijos un Krebsa cikla oksidēšanās reakcijās atšķeltos elektronus un protonus uz elektronu transporta ķēdi nes nikotīnamīdadenīndinukleotīds (NADH). 1957. gadā tika atklāts koenzīms Q (ubihinons), bet tikai vēlāk saprata, kas tas arī piedalās elektronu transportā elpošanas ķēdē. 1960. gadā atklāja dzelzs-sēra centrus elektronu transporta ķēdes elementos, kuri līdzīgi hēma grupām pārnes elektronus. Līdz pat 20. gs. 60. gadiem nebija skaidrs, kā oksidēšanās ir sajūgta ar ATF veidošanos mitohondrijos. Tika uzskatīts, ka tā ir substrāta līmeņa fosforilēšana, un tika meklēts makroerģisks (ar enerģiju bagāts) starpprodukts. 1961. gadā Pīters Deniss Mičels (Peter Dennis Mitchell) pierādīja hemiosmotisko hipotēzi: elektronus pārnesot pa elpošanas ķēdes elementiem, protoni tiek pumpēti mitohondriju starpmembrānu telpā, veidojot elektroķīmisko gradientu, ko izmato ATF sintēzē. ATF sintāzi – fermentu, kas sintezē ATF, – 1960. gadā izdalīja un raksturoja Efraims Rakers (Efraim Racker), bet tās darbības mehānismu 1973. gadā noskaidroja Pauls Deloss Bojers (Paul Delos Boyer), par ko 1997. gadā kopā ar Džonu Ernestu Vokeru (John Ernest Walker) saņēma Nobela prēmiju.
Sporta bioķīmija kopš 20. gs. 80. gadiem attīstās ciešā saistībā ar fizioloģiju, imunoloģiju, uzturzinātni, kā arī ģenētiku. Norises organismā slodzes un atjaunošanās laikā ir izprastas molekulārā līmenī. Tas veicina sportistu fizisko darba spēju attīstību, paātrina to atjaunošanos pēc slodzēm.