En los siglos XVI y XVII se empezaron a discutir ideas que servirían de base para posteriormente formular el sistema métrico. Simon Stevin publicó sus ideas para la notación decimal y John Wilkins publicó una propuesta sobre un sistema decimal de medidas basado en unidades naturales. El trabajo de reformar el antiguo sistema de pesos y medidas, tuvo apoyo del poder público, incluyendo a Luis XVI.
La primera implantación legal del sistema métrico se produjo en 1799, durante la Revolución Francesa, cuando los diversos sistemas de medidas de ese entonces habían llegado a tener tan mala fama que surgió la necesidad de sustituirlos y homologarlos, eligiendo así, un sistema decimal basado en el kilogramo y el metro. El sistema métrico había sido creado, en palabras del filósofo y matemático Condorcet, «para todas las personas de todos los tiempos». En la era de la razón, las unidades básicas se tomaron del mundo natural: la unidad de longitud, el metro, se basó en las dimensiones de la Tierra [1]​ y la unidad de peso, el kilogramo,[Nota 1]​ se basó en el peso del agua contenida en un volumen de un litro o una milésima parte de un metro cúbico. Los duplicados de referencia para ambas unidades se fabricaron en platino y se pusieron bajo la custodia de la Academia de Ciencias de Francia. En 1812, debido a la impopularidad del nuevo sistema métrico, Francia retomó el sistema de medición anterior y volvió a utilizar para el uso común las unidades de dicho sistema, aunque modificadas para relacionarlas con el sistema métrico.
En 1837 el sistema métrico fue reimplantado en Francia. También durante esta primera mitad del siglo XIX fue adoptado por la comunidad científica. A mediados de siglo, James Clerk Maxwell propuso el concepto de un sistema coherente donde se define un pequeño número de unidades de medida consideradas como unidades básicas, y las demás unidades de medida, llamadas unidades derivadas, se definen en función de las unidades básicas. Maxwell propuso tres unidades básicas: longitud, peso y tiempo. Este concepto funcionó bien con la mecánica, pero al intentar describir las fuerzas electromagnéticas en función de estas unidades se hallaron dificultades. A finales del siglo XIX, estaban en uso cuatro variantes principales del sistema métrico para la medición de los fenómenos electromagnéticos: tres basadas en el centímetro-gramo-segundo (sistema CGS), y uno en el metro-kilogramo-segundo (sistema MKS). Este callejón sin salida fue resuelto por Giovanni Giorgi, quien, en 1901 demostró que en un sistema coherente tenía que haber unidades electromagnéticas y que había que incorporar una unidad electromagnética como cuarta unidad básica.
Hasta 1875, el gobierno francés guardaba los patrones del metro y del kilogramo, pero en ese año se firmó la Convención del Metro y el control de las normas relativas al peso y a la longitud pasó a tres organizaciones intergubernamentales, la principal de las cuales era la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM). Durante la primera mitad del siglo XX, la CGPM, en colaboración con una serie de otras organizaciones, se encargó de definir las medidas temporales, eléctricas, térmicas, moleculares y de iluminación, mientras que otras organizaciones internacionales continuaron con la tarea de definir cómo se utilizaban estas unidades de medida.
En 1960, la CGPM puso en marcha el Sistema Internacional de Unidades (en francés Système International d'unités o SI) que tenía seis "unidades básicas": el metro, el kilogramo, el segundo, el amperio, el kelvin y la candela; así como 22 unidades adicionales derivadas de las unidades básicas. El mol se añadió como la séptima unidad básica en 1971. Durante este período, el metro se redefinió en términos de la longitud de onda de las ondas de una fuente de luz en particular, y el segundo se definió en términos de la frecuencia de la radiación procedente de otra fuente de luz. Desde finales del siglo XX, la CGPM se ha comprometido a redefinir el amperio, el kilogramo, el mol y el kelvin en función de las constantes fundamentales de la física.