杂交水稻的基本思想和技术，以及首次成功的实现是由美国人Henry Beache在1963年于印度尼西亚完成的，Henry Beache也被学术界某些人称为杂交水稻之父，并由此获得1996年的世界粮食奖。由于Henry Beache的设想和方案存在着某些缺陷，无法进行大规模的推广。
后来日本人提出了三系选育法来培育杂交水稻，提出可以寻找合适的野生的雄性不育株来作为培育杂交水稻的基础。虽然经过多年努力日本人找到了野生的雄性不育株，但是效果不是很好；另外日本人还提出了一系列的水稻育种新方法，比如赶粉等，但是最后由于种种原因没法完成杂交水稻的产业化。袁隆平于1971年2月调到湖南省农业科学院专门从事杂交水稻研究工作。1973年，以他为首的科技攻关组完成了三系配套并成功培育杂交水稻，实现了杂交水稻的历史性突破。1984年6月成立了全国性的杂交水稻专门研究机构－－湖南杂交水稻研究中心，后又成立国家杂交水稻工程技术研究中心，均由袁隆平任中心主任。1986年提出“两系法亚种间杂种优势利用”的发展观点，经6年艰难攻关，与研究人员成功地突破了两系杂交稻关键技术并推广应用，取得了良好的增产效果。1997年提出“杂交水稻超高产育种”的技术路线，在国际上引起高度重视。在他的率领下，先后于2000年、2004年和2011年实现了超级稻亩产700公斤、800公斤和900公斤的第一期、第二期、第三期目标，亩产1000公斤的第四期目标也于2014年10月实现历史性突破，为进一步大面积、大幅度提高水稻产量奠定了基础。1995年他当选为中国工程院院士。 被称为杂交水稻之父。
中国发明的杂交水稻，除国内发展迅速外，在国外，已有越南、印度尼西亚、菲律宾和美国在大面积生产上应用，并取得了显著的增产效果。
随着杂交水稻的应用推广，使单位面积产量得到提高并减少用种量；杂交水稻直播栽培技术就是省去传统的水稻栽培育秧过程，把经过浸种、催芽的稻种直接播到大田中，加以管理，使之成秧、分蘖一直到成熟的一种简化栽培方法。
栽培技术
（1）整地。
生产上要严格按照要求精细整地，做到畦面平整无杂草、排灌顺畅、不积水。并按畦宽4～6 m 开挖一条宽为0.6 m、深0.1 m 的沟。
（2）适时早播。合理安排播种期是保证水稻直播栽培全苗和安全齐穗的关键措施。
（3）选种。选用高产抗病优质良种，可以提高产量，增加经济效益。做好种子消毒和催芽工作，可减少病虫害的发生。
（4）浸种。一般浸种12~18h 后不经催芽直接播种、湿润育秧为佳。
（5）催芽。催芽过程应掌握适宜的温度、适当的水分和适时换气。水稻种子发芽最适宜温度是30~35℃，超过45℃时就会引起“烧芽”，80%以上种子破胸后即可播种。
（6）疏播匀播。直播栽培是将种子直接播入大田，播种量常规稻种子为37.5 kg/hm2，杂交稻种子18.75 kg/hm2，一般比正常育苗增加15%～20%的用种量。播种要均匀，播后要埋芽，可用木板轻踏使谷芽入土，同时做好防鸟鼠害工作。
施肥技术
（1）施足基肥。由于直播栽培从幼苗开始就直接在大田生长，因此施足基肥对直播栽培获得高产更为重要。
（2）分次追肥。直播稻施肥应遵循“少吃多餐，追肥要勤，每次用量要少”的原则。分5 次追肥，第1 次追提苗肥；第2 次追分蘖肥；第3 次追拔节肥；第4 次追穗肥；第5 次追扬花肥。
（3）钾肥施用技术。根据土壤特性施用。对缺钾严重的土壤，施用钾肥效果显著。钾肥要与氮、磷配合使用。只有在三要素合理搭配的前提下，增施钾肥才能充分发挥其增产效果。
两系法杂交稻研究
与三系法杂交水稻相比，两系法杂交水稻的优点是配组自由、育种程序简化、育种周期缩短、不育系多样化，缺点是不育系繁殖和组合制种受到时空条件的限制。在1987年两系法杂交水稻研究列入国家“863”计划和袁隆平发表“杂交水稻育种的战略设想”以后，两系法杂交水稻的育种在全国广泛展开。1988年第一个进入生产性实验的两系杂交粳稻组合是N5047S/R9-1，到2000年全国通过省级和地市级审定的两系法杂交稻品种只有27个，累计推广面积在300万公顷左右，是一个发展比较慢的时期。2001年以两优培九为代表的4个两系法杂交水稻品种通过国家审定以后，两系法杂交水稻进入快速发展的时期。到2015年，通过国家审定的两系法杂交水稻135个、通过省级审定的两系法杂交稻品种816个(次)。 [5] 1996年推广面积18.05万公顷， 占杂交水稻种植面积的0.92%，到2013年推广面积发展到544.04万公顷，占杂交水稻种植面积的33.59%，18年间两系杂交稻面积扩大了30倍。其中推广面积最大的组合是两优培九(培矮64S/9311)，累计推广面积超过800万公顷。全国20个水稻种植省市，都有两系杂交水稻种植，主要是籼型两系杂交稻，年推广面积超过100万公顷的有湖南、湖北、安徽三省，其中安徽和湖北，两系杂交稻面积已经超过三系杂交稻面积。
超级杂交稻研究
1996年农业部正式立项中国超级稻育种计划，以期为满足我国日益增长的粮食需求目标服务。1997年，袁隆平提出“形态改良与杂种优势利用相结合”的杂交水稻超高产育种技术路线，成为中国超级杂交稻育种的灵魂思想。在该技术路线指引下，各个时期的超级杂交稻育种目标陆续实现。其中，先锋品种两优培九于2000年实现第1期超级杂交稻产量目标，累计推广超过700万公顷；第2期超级杂交稻产量目标于2004年实现，其代表品种Y两优1号自2010年以来即成为我国年推广面积最大的杂交水稻品种，累计推广已达400万公顷；2011年，Y两优2号百亩连片平均亩产达926.6 kg (13.9 t/hm2)，实现了第3期超级杂交稻单产13.5 t/hm2的目标；2014年，第4期超级杂交稻代表品种Y两优900创造百亩连片平均亩产1026.7 kg (15.4 t/hm2)的高产新纪录，两倍于中国水稻的平均产量。迄今为止，国家农业部已认定了125个超级稻品种，累计推广面积达7000万公顷。然而，随着人口不断增加、耕地面积显著减少以及环境的持续恶化，进一步提高水稻产量潜力以及在不同生态环境下的多抗性和适应性仍然是超级杂交稻育种的主要挑战。
第三代杂交水稻
2019年10月21日至22日，第三代杂交水稻在湖南省衡阳市衡南县清竹村进行首次公开测试，亩产1046.3公斤。
第三代杂交水稻技术是以遗传工程雄性不育系为遗传工具，它让所有的水稻，在理论上都能找到适合自己的“另一半”，并产生优良后代。第三代杂交水稻不仅兼有三系不育系育性稳定和两系不育系配组自由的优点，同时还克服了三系不育系配组受限，两系不育系可能因天气原因导致制种失败和繁殖产量低的缺点，在任何地区任何时候都是稳定不育的，且制种和繁殖都非常简便。
湖南杂交水稻研究中心研究员、第三代杂交水稻项目主持人李新奇表示，缩短农民的生产田和科学家的试验田之间的产量差距，是能否得到广泛推广的关键因素之一。“我国目前水稻平均亩产在500公斤左右，普通农民在一般条件下种植一些优秀的第二代杂交水稻品种可以达到600到700公斤的亩产，但在同样种植条件和环境下，第三代杂交水稻的亩产可以达到800公斤。”
