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Aunque no se sabe con seguridad, la cámara oscura puede que fuera inventada por el filósofo y científico griego Aristóteles en el siglo IV a.C, ya que de él se conserva una descripción del aparato y del fenómeno que le daba sentido: "Los rayos del sol que penetran en una caja cerrada a través de un pequeño orificio sin forma determinada practicado en una de sus paredes forman una imagen en la pared opuesta cuyo tamaño aumenta al aumentar la distancia entre la pared en la que se ha practicado el orificio y la pared opuesta en la que se proyecta la imagen". La observación posterior de este fenómeno dio origen a las teorías de Alhacén.
En el siglo XIII Roger Bacon conocía ya el fenómeno de la cámara oscura aunque, probablemente, hasta el siglo XV, no se le dio aplicación práctica como instrumento auxiliar para el dibujo. La primera descripción completa e ilustrada sobre el funcionamiento de la cámara oscura, aparece en los manuscritos de Leonardo da Vinci. Cuando Da Vinci usó la cámara oscura, ésta no era una habitación especial sino un lugar corriente, sin luz, con una lente que perfeccionaba la imagen cuando se proyectaba en el interior desde fuera. Para él, esta caja era un medio que en potencia tendría grandes usos para la representación y por tanto podría ser utilizada como un medio para calcar una imagen con un lápiz. Posteriormente fue Giovanni Battista della Porta quien le agregó una lente a la cámara oscura para aumentar la claridad de lo que se veía.
El artista neerlandés Constantin Huygens notó que la vivacidad de las imágenes en la cámara oscura era más fuerte que las de las pinturas. El interés que se produjo por este fenómeno logró un cambio en el instrumento: se construyeron habitaciones oscuras que en ocasiones podían ser del tamaño de un armario en los que la persona podía adentrarse y estar ahí de pie o sentada realizando dibujos. Posteriormente se dio la creación de las casitas que eran una especie de palanquines con cortinas para una sola persona, sin embargo, el verdadero avance se dio cuando la cámara oscura pasó de ser una especie de armario a una cámara portátil.
En el siglo XVI se construyen cámaras portátiles con un objetivo de mayor diámetro dotado de lentes, con lo que la imagen ganaba en definición y luminosidad. En su mayoría estaban hechas de madera y eran utilizadas por naturalistas, científicos, topógrafos, artistas y aficionados de cualquier índole. Artistas de los siglos XVI y XVII, como Johannes Vermeer y otros usaron cámaras oscuras para ayudarse en la elaboración de sus bocetos y pinturas.