Il a été découvert en 1776 par Joseph Priestley. Le protoxyde d'azote a été utilisé dès la fin du XVIIIe siècle comme « gaz hilarant » dans les foires (effet euphorisant). Ses effets anesthésiants ont été découverts en 1844 par le dentiste Horace Wells qui l'expérimenta sur lui-même, ce qui a permis à la chirurgie de faire un bond (la douleur était l'une des deux grandes limites de la chirurgie, avec l'infection).
Le principal risque, l'asphyxie par manque de dioxygène, a mené à l'élaboration du mélange équimolaire avec du dioxygène (MEOPA). Bien qu'il ait été utilisé régulièrement sous cette forme durant le XXe siècle, il n'a obtenu en France son autorisation de mise sur le marché (AMM) qu'en novembre 2001. Auparavant il a été distribué (en dehors de la classification médicament comme les autres gaz médicaux) dans la majorité des blocs opératoires et a constitué l'un des agents de l'anesthésie générale durant le XXe siècle ; sa faible puissance anesthésique le reléguant au rôle d'adjuvant de médicaments plus puissants, dont il permet de réduire les doses et par là les effets indésirables.