1868年5月31日，世界上第一场自行车比赛在法国巴黎附近的圣克卢公园(Saint Cloud Park)内举行，第二天，英国也举行了一场自行车比赛，比赛的地点是在米德尔塞克斯(Middlesex)的亨登(Hendon)。
1871年后，随着职业性竞赛的兴起，场地自行车竞赛变得日益普遍。建立于1878年的全国自行车选手联盟(NCU,1959年后改称英国自行车联合会)，领导了组成国际自行车选手协会(ICA,1892)的运动，其创立成员国是英国、比利时、丹麦、德国、法国、荷兰、美国和加拿大。然而因为利益冲突，协会内部关系紧张，英国在ICA中的权利过大，引起其它国家自行车协会的不满。因此在1900年4月14日，国际自行车联盟在瑞士成立，(Union cycliste Internationale)， 简称国际自盟（UCI），这个组织是由法国自行车协会发起的，得到了意大利、瑞士、美国和比利时等国自行车协会的支持，UCI经过一个多世纪的运作、经营，逐渐成为世界自行车运动的领导力量，现有160个协会会员。
自行车作为娱乐活动，也渐渐成为了有组织的运动。建于1883年的英国自行车选手旅游俱乐部(1887年改为自行车旅游俱乐部〔Bicycle Touring Club〕)在20世纪初期就已经拥有60,000名成员，到80年代还有约25,000名成员。在自行车运动发展的初期，年轻女性第一次在没有年长女伴陪同的情况下与男性一起参加活动，这在当时引起了不小的轰动，舆论对由此可能出现的道德混乱前景和妇女骑车服装日益男性化的演变感到惊恐。
1903年在法国举行了最初的公路竞赛——环法自行车赛，此后除战争时期外每年都会举行环法自行车赛。由于英国禁止公路大组赛，因此在英国出现了一项特殊的竞赛——计时赛(time trial)，企图避开法律限制。然而建立于1888年的公路记录协会(Roads Record Association)仍坚持了下来，并在1937年更名为公路计时赛委员会(Road Time Trials Council)。直到1942年英国才首次举行集体出发的公路自行车赛。环绕英国一周竞赛开始于1951年，从1958年起每年都会举行。职业自行车赛则开始于1965年。公路竞赛和场地赛自二十世纪初举行，设有职业选手和业余选手两项世界锦标赛，后者在1892年ICA建立之前是非正式竞赛，自1893年以后才成为正式竞赛。直至第一次世界大战后，英国人在这个项目上一直占优势，但也受到来自法国、德国和美国的车手的挑战。第二次世界大战后，欧洲各国家的车手在这个项目上大致势均力敌。职业性锦标赛开始于20世纪20年代，1965年因为职业队和业余队已变得难以区分，以致国际奥林匹克委员会威胁要把自由车项目从奥运会中取消，于是UCI建立了两个新的下属组织：国际职业自行车联合会(Federation Internationale du Cyclisme Professionnel，其10个会员国全在欧洲)和国际业余自行车联合会(Federation Internationale Amateur de Cyclisme，其100多个会员国遍布全世界)。UCI继续组织业余世界锦标赛和奥林匹克竞赛。
1895年，举行了首届场地自行车世界锦标赛。在1896年的第一届现代奥运会上，自行车也被列为正式比赛项目。自行车(男子项目)自1896年举办首次现代奥运会以来，并一直是奥林匹克运动会的一个重要项目。20世纪50年代，山地车越野运动出现于法国，并逐渐在欧洲流行，1996年也被列为奥运会比赛项目。20世纪60年代，美国又兴起了小轮车运动，2003年12月国际奥委会正式批准小轮车为2008年北京奥运会比赛项目。
荷兰人海茵·维尔布鲁根于1991-2005年担任国际自盟主席，他曾担任北京奥运会协调委员会主席，现任国际自盟名誉主席。
现任国际自盟主席是来自爱尔兰的帕特·麦奎德。
