Matemáticas y arquitectura están relacionadas, ya que los arquitectos (al igual que otros artistas) se sirven de las matemáticas en su actividad por varias razones: además de las matemáticas necesarias para el cálculo y el diseño estructural de la futura construcción, su trabajo está íntimamente relacionado con la geometría que se requiere para definir la forma espacial de un edificio. Ya desde la época de los pitagóricos (siglo VI a.C.), se consideraba que para crear formas armoniosas de los edificios y de su entorno, se debía recurrir a principios matemáticos, tanto por planteamientos estéticos como en ocasiones religiosos. También ha sido habitual decorar edificios con motivos geométricos, incluyendo todo tipo de teselados. Otro aspecto importante es la vinculación con el diseño arquitectónico de los cálculos precisos para optimizar la estructura de un edificio, ajustando las dimensiones de sus elementos constructivos (vigas, pilares, arcos, bóvedas, cúpulas, voladizos, muros...) a las distintas cargas que deberá soportar la edificación (peso propio, cargas y sobrecargas de uso, efectos del viento y de la nieve, seísmos, dilataciones térmicas...) de acuerdo con las características mecánicas de los materiales a utilizar (madera, sillería, mampostería, ladrillos, cal, cemento, hormigón, hormigón armado, hormigón pretensado, hierro, acero, vidrio...). 
En el antiguo Egipto, en la Grecia clásica, en la India y en el mundo islámico, edificaciones como las pirámides, distintos templos, mezquitas, palacios y mausoleos se diseñaron con proporciones específicas por razones religiosas. En la arquitectura islámica, las formas geométricas y especialmente los patrones de los azulejos se utilizan para decorar edificios, tanto por dentro como por fuera. Algunos templos hindúes tienen una estructura similar a la de un fractal, en el que los detalles de un edificio se asemejan a la construcción completa, transmitiendo el mensaje sobre el infinito propio de la cosmología hinduista. En la arquitectura china, los tulou de Fujian son estructuras defensivas comunales circulares. En el siglo XXI, la ornamentación basada en patrones matemáticos se está utilizando nuevamente para decorar edificios públicos.
En la arquitectura del Renacimiento, la simetría y la proporción fueron enfatizadas deliberadamente por arquitectos como Leon Battista Alberti, Sebastiano Serlio y Andrea Palladio, influidos por el tratado De architectura de Vitruvio originario de la antigua Roma y por la aritmética de los pitagóricos de la antigua Grecia.
A finales del siglo XIX, Vladímir Shújov en Rusia y Antoni Gaudí en Barcelona fueron pioneros en el uso de estructuras con forma de hiperboloide. En el Templo Expiatorio de la Sagrada Familia, su obra más conocida, Gaudí también incorporó paraboloides hiperbólicos, teselados, arcos catenarios, catenoides, helicoides y distintas superficies regladas. En el siglo XX, estilos como la arquitectura moderna y el deconstructivismo exploraron diferentes geometrías para lograr los efectos deseados. Las superficie mínimas se han explotado en cubiertas con forma de carpa (como en el Aeropuerto Internacional de Denver), mientras que Richard Buckminster Fuller fue pionero en el uso de las resistentes estructuras laminares conocidas como cúpulas geodésicas.