Este género cinematográfico nace casi con el mismo cine, cuando El viaje a la Luna de George Mélies en 1902 irrumpe con sus efectos fotográficos, con nuevas técnicas de realización y narración, totalmente originales para los cortometrajes de esos años.
Nuevamente la base literaria es fuente de inspiración y la base científica y tecnológica base para la invención de este tipo de historias. Este género es, o bien, un reflejo de un pasado real o imaginario, o bien, lo es de un futuro real o imaginario, o bien, lo es de un presente real o imaginario. El cine de ciencia ficción se ha utilizado en muchos casos para criticar aspectos sociales o políticos e incluso para explorar en cuestiones filosóficas como la definición del ser humano.
En este tipo de cine el componente visual es indispensable ya que preside cualquier acción, gracias a los trucajes y efectos especiales, como a la vestimenta y al maquillaje sorprendente que se precisan en estas producciones.
Durante las primeras décadas, el cine mudo cuenta con diversos ejemplos de cine de ciencia ficción. En 1916 se estrenó 20000 legüas de viaje submarino, basada en la novela de Julio Verne. En los años 20, los cineastas europeos utilizaron este cine para realizar predicciones y comentarios sociales, como en Metrópolis (1926) de Fritz Lang. Por otra parte la película rusa Aelita (1924), de Iakov Protazanov, es considerada una de las primeras obras maestras de este género, de la cual tomó su inspiración Lang para realizar la, ya mencionada, Metrópolis.
Con la llegada del sonido, las películas de ciencia ficción, eran generalmente de bajo presupuesto, en su mayoría basados en historietas como Flash Gordon (1936) de Frederick Stephani o Las aventuras del Capitán Maravillas (1941) William Witney y John English. Otros films de esos años son King Kong de 1933, Lost horizon de 1937, dirigida por Frank Capra y Dr Cyclops de 1940 que fue una de las primeras películas de ciencia ficción en color. Ya para esa altura, se realizaban los primeros cortometrajes animados de Superman que utilizaba muchos de los recursos que se veían en los films de este género.
Durante la década del 50, la literatura de ciencia ficción se hizo muy popular. El género comenzó a mostrar una fasceta comprometida por claves socio-políticas. Entre las películas distinguidas por mostrar la profundidad del género se encuentran El día que la tierra se detuvo de 1951, dirigida por Robert Wise y La guerra de los mundos de 1953 dirigida por Byron Haskin; ambas tuvieron su remake en 2008 y 2005 respectivamente.
En los años 60 encontramos a la película que marca un antes y un después, transformando el género, 2001: Odisea en el espacio de 1968 dirigida por Stanley Kubrick, trajo un nuevo realismo con sus efectos visuales innovadores y un retrato realista del vieja espacial, además de su historia épica y sus aspectos filosóficos. Ese mismo año otras películas importantes se destacan dentro del género: El planeta de los simios (1968) de Franklin Schaffner y Barbarella (1968) que aporta una mirada infantil a la ciencia ficción.
Las películas de comienzos de los 70, exploraron el temor de la humanidad por la amenaza ecológica y tecnológica en películas como La naranja mecánica (1971) de S. Kubrick y Westworld (1973) de Michael Crichton. La fascinación por una idea mesiánica de los extraterrestres queda de manifiesto en Encuentros cercanos del tercer tipo de 1977 y en E.T. El extraterrestre de 1982 ambas dirigidas por Steven Spielberg. En contraposición con esa visión, Alien, el octavo pasajero (1979) de Ridley Sott muestra una imagen mucho más amenazante de los alienígenas.
Por otro lado, surgen a partir de la década de los setenta constantes adaptaciones de teleseries y cómics populares. En esta dirección, destacan Star Trek, la película (1979), de Robert Wise, y Superman (1978), de Richard Donner. Otro éxito de taquilla de esos años es la conocidísima Star Wars: Episodio IV de 1977 dirigida por George Lucas, dando inicio a la saga más importante de las películas de ciencia ficción que respectan a viajes espaciales. Con el renacer del temor atómico, se dieron creaciones como Mad Max, salvajes de la autopista (1978), de George Miller, donde se dibujaba un terrible futuro post-apocalíptico. Insistiendo en la faceta menos deseable de ese futuro, ofrecían sus argumentos la magistral Blade Runner (1982), de Ridley Scott, y otras películas como Terminator (1984), de James Cameron, .Robocop (1987) y Desafío total (1992), ambas de Paul Verhoeven. En 1985 se estrenó Volver al futuro I dirigida por Robert Zemeckis, seguidas por sus dos secuelas, se transformó en un ícono de las películas de ciencia ficción que tratan de viajes a través del tiempo.
A partir de la década de los noventa, el uso de los efectos especiales por computadora y el avance tecnológico en este sentido, permitió abarcar nuevas dimensiones en el cine de este género, competente pero exento de otras connotaciones. Películas como Parque Jurásico (1993), de Steven Spielberg, Armagedón (1998) y Día de la independencia (1996), de Roland Emmerich, sirven de ejemplo a esa tendencia, que aún continúa siendo la dominante en el género. En los últimos años abundan las películas de fantasía y superhéroes, la trilogía de Matrix, se completó la saga de Star wars con el esteno de su tercer episodio: La venganza de los Sith. En algunos films actuales la ciencia ficción regresó a ser una herramienta para la crítica socio-política como en Inteligencia artificial (2001) y Minority report (2002) ambas de Spielberg y Los niños del hombre (2006) de Alfonso Cuarón.