Ra đời trước ô tô, đèn tín hiệu ban đầu chỉ dành cho tàu hỏa. Lúc đầu, nó thắp sáng bằng khí gas. Sau 43 năm chúng chạy bằng điện nhưng vẫn cần người điều khiển cho tới khi hoàn toàn tự động vào năm 1950. Ban đầu tín hiệu giao thông chưa có đèn vàng và thay nó là chiếc còi hú vang khi cần.
Lịch sử đèn tín hiệu có từ tháng 10 năm 1868, khi người ta đặt hệ thống đèn ngay bên tòa nhà quốc hội Anh ở Luân Đôn. Chúng lắp ở đây để báo hiệu cho những đoàn tàu đi ngang qua. Trên cây cột hình khuỷu tay có hai chiếc đèn: một màu đỏ và một màu xanh dùng cho ban đêm. Đèn đỏ nghĩa là dừng lại còn đèn xanh là chú ý.
Tháng 8 năm 1914, công ty tín hiệu giao thông ra đời tại Mỹ và chịu trách nhiệm lắp đèn tại các ngã tư bang Ohio. Điều đặc biệt là khi đó đèn tín hiệu vẫn chưa có đèn vàng nên khi chuyển trạng thái, cảnh sát lại bấm chiếc còi hú vang báo cho các lái xe biết.
Đến năm 1920, đèn tín hiệu mới có đủ ba màu: xanh, đỏ, vàng; do sĩ quan cảnh sát Williams Posst, sống tại thành phố Detroit sáng chế ra. Năm 1923, Gerrette Morgan đã được nhận bằng phát minh đèn tín hiệu giao thông, mặc dù ông không phải người trực tiếp làm nên cuộc cách mạng đèn tín hiệu hiện đại.
Nguyên nhân dẫn tới phát minh đó của Morgan là do tình trạng tai nạn xảy ra nhiều trên đường phố Mỹ trong những năm đó. Ông thấy cần có tiêu chuẩn thống nhất để hệ thống tín hiệu sẵn có hoạt động hiệu quả. Sau khi nghiên cứu, Morgan thiết kế cột đèn hình chữ T. Trong đó các tín hiệu như: "dừng lại" và "đi" và "dừng lại ở tất cả các hướng". Khi đèn báo "dừng lại ở các hướng", người đi bộ mới được phép băng qua đường. Sau năm 1923, hệ thống vẫn phải có người vận hành. Tính riêng tại thành phố New York, hơn 100 cảnh sát phải làm việc 16 giờ hàng ngày và tổng tiền lương là 250.000 USD mỗi năm. Do những khó khăn nói trên, các kỹ sư được lệnh thiết lập và phát triển hệ thống đèn hoạt động tự động. Tuy nhiên gần 20 năm sau, ước mơ đó của các cảnh sát mới trở thành hiện thực.
Năm 1950, đèn tín hiệu xanh đỏ được sử dụng rất rộng rãi ở Canada và phát triển nhanh chóng trên thế giới. Ngày nay, hệ thống đèn tín hiệu hiện đại hơn nhiều, có tính năng đặc biệt là chụp hình những xe vượt đèn đỏ. Bên cạnh đó nhiều nước phát minh hết sức thú vị như đèn 4 chế độ ở Anh, New Zeland, Phần Lan v.v. Đèn từ đỏ chuyển sang đỏ và vàng rồi đến xanh và về lại vàng. Trạng thái đỏ và vàng báo cho các lái xe biết rằng đèn xanh sẽ sáng lên trong một khoảng thời gian rất ngắn nữa.
Hiện nay, tại các nước châu Âu đã xuất hiện đèn tín hiệu giao thông có khả năng "biết đếm".
Đèn tín hiệu thường hoạt động cả ngày, đến 0 giờ (12 giờ đêm) thì chuyển sang trạng thái nháy vàng hoặc ngừng hoạt động. Khi nháy vàng, xe cộ được đi và phải chú ý, người đi bộ được phép sang đường. Đến 6 giờ sáng ngày hôm sau đèn lại hoạt động bình thường trở lại. Đôi khi ở một vài ngã tư đông đúc, đèn tín hiệu có thể hoạt động 24/24 mà không nháy vàng. Khi hoạt động, đèn thường sáng màu xanh, sau đó đến vàng và đỏ. Sau một thời gian hoạt động, đèn lại chuyển xuống màu xanh. Đôi khi ở một số dao động, đèn vàng bật sau đèn đỏ.
Loại 3 màu có 3 kiểu: xanh, vàng, đỏ. Tác dụng như sau:
Khi đèn vàng bật sau đèn xanh nghĩa là chuẩn bị dừng, khi đó các phương tiện phải dừng lại trước vạch sơn dừng vì tiếp đó đèn đỏ sẽ sáng, trường hợp đã vượt quá vạch dừng thì phải nhanh chóng cho xe rời khỏi giao lộ.
Nếu đèn vàng bật sau đèn đỏ có nghĩa là chuẩn bị đi, người lái xe có thể đi trước hoặc chuẩn bị để đi vì tiếp đó đèn xanh sẽ sáng.
Khi đèn vàng nhấp nháy ở tất cả các hướng nghĩa là được đi nhưng người lái xe vẫn phải chú ý.
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, vàng ở giữa, xanh ở dưới. Nếu lắp chiều ngang thì theo thứ tự đỏ ở bên trái, vàng ở giữa, xanh ở bên phải hay ngược lại(đèn xanh luôn luôn hướng về phía vỉa hè hoặc giải phân cách, đèn đỏ hướng xuống lòng đường).
Loại 2 màu có hai màu xanh, đỏ. Tác dụng như sau:
Loại đèn này lắp theo thứ tự: Nếu lắp chiều dọc thì đèn đỏ ở trên, đèn xanh ở dưới. Nếu lắp chiều ngang thì đèn đỏ ở bên trái, đèn xanh ở bên phải hoặc ngược lại. Loại này đôi khi được lắp kèm với đèn đếm lùi để người đi bộ có khả năng ước lượng thời gian sang đường là bao lâu.
Đèn đếm lùi là loại đèn lắp đặt bổ sung bên cạnh đèn tín hiệu chính. Đèn đếm lùi được hiển thị bằng một con số đếm ngược với những màu sắc khác nhau. Khi đèn đếm đến "0" là lập tức chuyển màu đèn chính. Đèn đếm lùi có thể có số 0 trước hàng đơn vị hoặc không có.
Đèn giao thông cho người đi xe đạp là loại đèn dành cho xe đạp dắt ngang qua đường. Loại đèn này có biểu tượng hình chiếc xe đạp, được gắn ở phía bên trái hoặc bên phải cột đèn để báo hiệu cho người đi xe đạp biết. Loại đèn này thường chỉ lắp đặt ở đường dành cho xe đạp, cũng có 3 màu xanh, đỏ, vàng và ý nghĩa như trên. Đôi khi, có loại chỉ có 2 màu xanh, đỏ mà không có màu vàng (những đoạn đường vắng xe cộ) hoặc chỉ có màu vàng độc lập để cảnh báo người đi xe đạp. Loại này được lắp đặt ở những quốc gia có nhiều xe đạp.
Đèn tín hiệu phải bật từng màu riêng biệt, đèn này tắt mới được bật đèn kia lên, không được bật nhiều màu cùng một lúc. Giữa 2 chiều đường, khi chiều A bật đèn đỏ thì lập tức chiều B phải bật ngay đèn xanh và ngược lại. Khi chuyển từ xanh-đỏ và đỏ-xanh bắt buộc phải bật qua màu vàng, vì màu vàng đệm giữa 2 màu xanh đỏ. Khi bật đèn vàng thì phải bật sáng ở cả 2 chiều đường A và B.
Hiện nay, ở Việt Nam, khi thấy đèn vàng các bác tài thường cố gắng tăng ga để vượt qua giao lộ vì không biết luật (đèn vàng phải dừng lại, trừ trường hợp đã đi quá vạch dừng). Tình trạng này gây tai nạn giao thông. Những hình ảnh xe lấn vạch, lấn làn đường gây mất mỹ quan thành phố và ý thức của nhân dân. Năm 2004, trên 15.000 trường hợp đã bị xử lý vì lỗi lấn vạch sơn khi dừng chờ đèn đỏ tại các ngã ba, ngã tư. Ở các giao lộ hiện nay người ta lắp đèn đếm lùi để lái xe biết phải chờ bao lâu.