医薬研究において、臨床試験に至るまでのステップとして、創薬標的を探索し生体実験を行うことが必要とされる。従来の生体実験に使われる試料は培養細胞やマウスやサルといった実験動物の細胞や組織片、個体であり、これらの過程には多大な手間と費用がかかる。また、実験動物の生体システムは人間のそれとは厳密には異なるという指摘もある。

こういった問題を受け、2000年代初頭より生体模倣システム（Microphysiological System; MPS）の研究がなされてきた。具体的には、微小電気機械システム（Micro electro mechanical systems; MEMS）の研究者や細胞組織工学者らが、マイクロ流体デバイスを細胞培養に利用しようと試みてきた。2010年には米ハーバード大学ヴィース生体工学研究所にて「Lung-on-a-chip（肺チップ）」が開発された。肺チップは生体外における肺気腫の再現に世界で初めて成功したことから、世界からの注目を浴び、その後の臓器チップの代名詞となった。この事例が火付け役となり、世界中の関連研究者が，様々な臓器や組織の挙動を再現した臓器チップを提案するようになった。2012年には、ハーバード大学がアメリカ食品医薬品局（FDA）と国立衛生研究所（NIH）の研究費を受け、ヒト細胞を有機的に繋いだ臓器チップを用いた医薬品の研究開発を国家プロジェクト化した。2017年からは臓器チップの実用化を重視した5ヵ年計画も始まった。

臓器チップの開発は米国のみに留まらない。欧州では、2013年に化粧品開発における動物実験が全面的に禁止されたことで動物実験代替技術のニーズが高まり、イギリスやドイツ、オランダなどにおいて開発が推進されてきた。日本においても、国立研究開発法人日本医療研究開発機構（AMED）が2017年に臓器チップの開発事業を開始した。