Machine Head est fondé en 1992 par le guitariste Robert Flynn (ex-Vio-lence) et le bassiste Adam Duce. Le premier album, Burn My Eyes (1994), est souvent considéré comme ayant contribué au genre metal de manière aussi importante que Reign in Blood de Slayer et Master of Puppets de Metallica. Le clip du premier morceau de l'album, Davidian, fut interdit de diffusion sur la chaîne MTV car il sortit peu après la tragédie de Waco et que les paroles (« Let freedom ring / with a shotgun blast ») y faisaient vraisemblablement allusion.
Après le départ de Chris Kontos (parti jouer avec Testament), c'est Dave McClain qui devint batteur du groupe. Ils sortirent alors The More Things Change en 1997, après quoi le guitariste Logan Mader quitta inopinément le groupe au printemps 1998. Il fut alors remplacé par Ahrue Luster (désormais membre de Ill Niño) qui travailla sur le troisième album The Burning Red (1999). Cet album fut un signe de changement pour Machine Head, le groupe décidant d'expérimenter plutôt que de garder le style défini avec Burn My Eyes. Robb utilise des voix rap sur cet album en plus de son « growl » habituel. Le titre Devil With The Kings Card est basé sur le départ de Logan Mader du groupe.
Machine Head sortit Supercharger en 2001, album qui n'eut pas un grand succès, en grande partie à cause du sa date de mise en vente, peu après le 11 septembre 2001. Le clip de la chanson Crashing Around You ne fut pas diffusé par MTV car il comportait des images de bâtiments s'effondrant. L'album reçut le même genre de critiques que The Burning Red. Une fois la tournée terminée, Machine Head quittèrent leur label Roadrunner Records. En 2002, Ahrue Luster quitta le groupe à cause de divergences musicales. Il fut remplacé par Phil Demmel, qui jouait dans Vio-lence avec Flynn.
En 2006, le groupe a préparé son sixième album studio, intitulé The Blackening. Le 18 avril 2006, Robb Flynn a annoncé sur le site du groupe les titres provisoires de certaines chansons. L'album, produit par Robert Flynn et mixé par Colin Richardson, est sorti le 26 mars 2007.