分子诊断是以分子生物学、细胞生物学和遗传学理论为基础，通过分析DNA、RNA的表达，运用分子生物学的技术与方法，获得人体生物大分子的结构和表达水平的变化的信息，从而达到预测及诊断疾病的目的。例如通过寻找遗传密码中的异常或变异，或确定特定基因的存在，以确定疾病的易感性或存在性，·并将这些信息提供给医疗服务提供者，以进行风险评估、诊断、预后和治疗。1953年，沃森和克里克首次提出DNA双螺旋结构，开创了分子生物学的新时代。以此为契机，科学家们对于遗传学的研究进入了分子水平，人们越来越清晰的了解到遗传物质的构成和传递方式。在之后的50年里，分子遗传学、细胞生物学等新兴学科不断涌现，从分子层次揭示生命奥秘。1963年，“基因学之父”桑格提出了双脱氧链终止法，并基于此测定了Φ-X174型噬菌体的基因组序列，这是第一代基因测序技术，也是人类历史上首次对基因组进行完整的测序，为分子诊断的发展奠定了坚实的基础。

二十世纪七十年代末期，Kan YW等首次报道了利用液相DNA分子杂交，成功进行了α-地中海贫血的产前诊断，并确认了非裔人群的镰状细胞等位基因。同一时期，荧光原位杂交技术（FISH）也被首次运用和尝试。这是第一阶段的分子诊断技术，应用分子杂交技术，使具有一定互补序列和核苷酸单链在液相和固相中按碱基互补配对原则缔合成异质双链，以此进行基因诊断，主要对象为胚胎期的婴儿，通过产前诊断能够较早的预测某些疾病的发生。

但由于分子杂交技术耗时长、成本高，因此在当时，分子诊断并未真正用于临床研究。直到1983年，美国PE-Cetus公司的Mullis等人阐述了聚合酶链式反应（PCR），其原理是在体外提供合适的DNA复制的条件，通过“引物”在聚合酶的促进下完成对DNA的复制并扩增DNA的数量。这种方法价格低廉，操作简单，大大缩短了检测所需的时间，促进了分子诊断的发展。自此，分子诊断技术发展更加全面，进入第二阶段。

1991年，Affymetrix公司Fordor通过光蚀刻技术制备了世界上首个基因芯片，这标志着生物芯片成为一种可实际使用的分子生物学技术，分子诊断技术进入新阶段。生物芯片技术是一种将分子生物学与微电子技术相结合的核酸分析检测技术，灵敏度和准确度高。随后，1996年，Affymetrix公司推出了第一块商业化基因芯片。

虽然分子杂交技术、PCR技术和生物芯片技术在不断发展，但它们无法直接获得核酸信息，只能间接推断。而测序反应是唯一直接获得核酸信息的方法，而第一代测序技术耗时久、通量低，无法大规模的进行基因测序。在经过科学家们数十年的探索后，Ronaghi于1998年提出了边合成边测序的焦磷酸测序方法。2005年，454公司率先推出基于焦磷酸测序原理的高通量测序系统Genome Sequencer 20 System并商业化，这是世界上第一台NGS测序仪，也是第二代测序技术的首个平台。在之后的十年中，多家公司先后推出第二代测序仪，如Illumina、Ion Torrent和MGI（华大）平台等。虽然第二代测序技术仍存在局限性，但由于其高通量、测序成本低等优势，该技术目前在全球测序市场中仍保持主要地位。至此，分子诊断已处于第四阶段。

由于分子诊断在2000年前完成大部分理论建立，在2002年之后进入快速发展阶段。大多数公司都朝着自动化、高通量、更多的适用范围、低操作难度和时间的方向开发和发展分子诊断仪器，如罗氏最新一代BenchMark ULTRA-PLUS、illuminate最新一代6000、华大智造DNBSEQ-T7等。

目前，分子诊断根据技术平台的不同主要分为以下几类：聚合酶链式反应（PCR）、基因测序、荧光原位杂交和基因芯片等，不同技术分类有着不同的用途，如无创产前检测、肿瘤早筛、传染病检测等。其中，PCR技术价格最低，并且较为简单、特异性强，所以其应用最为广泛，市场占有率最高。另外三种诊断仍处于开发研发与拓展应用阶段，包括寻找更多适应症与更好的检测方法等。

分子诊断在过去50年的发展中，先后经历了不同的技术发展阶段，其应用领域也在不断的拓展，从产前预测、遗传疾病分析，到肿瘤分子的诊断、替代其他领域的诊断技术，分子诊断以其准确度高、特异性强的优势，正在成为基因层次新的发展和研究方向，具有广阔的前景。