1953年，澳大利亚墨尔本航空研究实验室的科学家戴维·沃伦博士受到音乐录音设备的启发，制造出了黑匣子的雏形。但是他的发明在最初几年并没有受到重视。数年以后，人们才开始意识到黑匣子对于航空业的重要性。
1953年，世界上第一架喷气式民航客机——“彗星”客机坠毁。当时沃伦所在的墨尔本航空实验室参与了这起事故的调查。由于这次空难没有客机的残骸和生还者，因此无法提供任何线索。在上世纪50年代早期，喷气式飞机上使用的新燃料比传统的飞机燃料更容易在高空爆炸，这被认为是“彗星”坠毁的一个可能的原因。沃伦意识到，如果飞机上有能够记录飞行过程的设备，问题就会变得更容易解决。
沃伦认为，解开飞机失事之谜的关键是记录下驾驶舱中的一切声音，使调查员可以通过录音重现飞机坠毁前的最后几分钟的对话，以此可以知道失事前机舱内发生了什么情况。但是普通的录音机无法经受住飞机坠毁后的高温或水浸，沃伦和他的同事经过一次次的试验和一次次的失败，终于在1956年研制成功了可保持4个小时语音和飞行数据的黑匣子雏形，并向澳大利亚航空局展示了他们的成果。但澳大利亚空军认为“这种设备并没有多大用处，无助于解释飞机失事的原因”，而且也并不是所有的同事都对沃伦的想法表示支持。
就在沃伦的发明成果即将夭折的时候，1958年的一天，曾经领导英国皇家空军取得不列颠之战胜利的前空军中将罗伯特·哈丁汉来到了沃伦的实验室，他提出想要看一看沃伦的原型机。沃伦在实验室中为哈丁汉先生对自己的原型机进行了简单的示范和讲解，哈丁汉先生随即对这项发明产生了浓厚的兴趣，他认为这是一个非常棒的主意，并相信这项发明将会成为航空事故调查的有力工具。沃伦受邀与哈丁汉先生一同返回英国展示这项发明，为了方便沃伦研究，英国政府向他提供了一个工程队供他差遣。英国航空部门宣称，不久的将来，在飞机上安装黑匣子将会成为强制性规定。
英国民用航空管理局开始着手让沃伦发明的装置成为民用航班的必备装备。英国米德尔塞克斯的一家公司第一个拿到生产许可证，开始生产。1958年，第一批黑匣子走下流水线。为了飞机失事坠毁后便于寻找识别，它们的颜色不是黑色的，而是耀眼的橙色。
看到英国政府支持的态度，沃伦所在的澳大利亚航空实验室最终决定为这个项目投入资金。1960年，福克公司一架飞机在昆士兰地区坠毁，机上29人全部遇难，事故调查员强烈要求在所有的飞机上安装黑匣子。澳大利亚政府也开始重视黑匣子的作用，并将黑匣子的型号进行了规范，使其适用于澳大利亚的所有飞机。3年后，澳大利亚政府颁布法律，成为世界上第一个强制要求安装驾驶舱语音记录器的国家。从这时起，戴维·沃伦发明的飞行记录器被民航普遍采用，并成为调查、预防飞行事故的重要设备。
直到1977年，黑匣子才真正引起了全世界的关注。那一年，两架波音747型客机在西班牙特内里费岛机场的跑道上相撞，造成了583人丧生，数百人受伤，这是飞机航行史上最严重的空难之一。多亏了有黑匣子的记录，这起事故很快就真相大白。通过回放黑匣子记录的当时驾驶舱内的录音，人们发现，导致这场灾难的主要原因是飞行员之间的误会以及对塔台给出指令的错误理解。如果没有黑匣子，人们也许永远无法获得这些至关重要的信息，黑匣子为空难调查员提供了新的调查方向。
随着航空器制造水准的不断提升以及对于飞行安全的迫切需求，黑匣子从诞生至今，亦经历着数次的更新换代。
20世纪50年代初所诞生的第一代黑匣子，系在航空器试飞记录设备的基础上所研发的。其主要依靠针头在金属箔上所刻画的痕迹来显示数据曲线，通常仅能记录为数不多的飞行基本参数。
20世纪50年代末至60年代初，经过更新后的第二代黑匣子，主要借助于磁带机工作原理，并在机器外侧加装了具有耐火、耐撞的保护外罩。同时，第二代黑匣子已能满足抗静态挤压、抗穿透、耐海水以及腐蚀液体浸泡的要求。在具体功能上，第二代黑匣子中出现了驾驶舱话音记录器，且记录的飞行参数也增加至了数十个。
随着微电子技术的迅猛发展，20世纪90年代起诞生了第三代的黑匣子。其采用半导体材料来作为数据记录的储存设备，所记录的参数已上升至数百个，且功能已从单纯的飞行事故调查，外延至日常飞行监控以及飞行维护与故障诊断。随着对于航空器坠毁时黑匣子破坏情形研究的不断深入，第三代黑匣子的抗强冲击指标已提升至3400g重力加速度，而在1100摄氏度高温下的耐火时间达到60分钟，耐海水浸泡时间则为30天，且新增了耐6000米深海压力标准。
当前，新一代的黑匣子已经出现，其不仅可以对视频数据予以记录，且记录的参数也高达数千个，并能通过卫星定期传输黑匣子的关键信息数据。此外，新型黑匣子的抛放式功能，令其在航空器坠毁时能够自动与机体分离，且具备无线电、卫星定位及水面漂浮功能，最大限度地提升了黑匣子的生存能力。
黑匣子通常为橙红色，是两个长约40厘米，宽与高分别约20厘米的长方体，每个重约20-30千克。
黑匣子这一名称最初源于1954年所提出的在航空器驾驶舱内安装声音记录器的设想。彼时航空器内所有的电子设备均放置于大小、形状完全统一的黑色方形盒内。而作为声音记录器的设备则安置于最为坚固的一个黑色方盒中。尽管黑匣子不再是黑色，但人们仍习惯沿用这一称呼，部分原因也是出于真正需要寻找黑匣子时就意味着发生了可怕的空难，而黑色在大多数国家都与“死亡”相关。
黑匣子是航空器失事后查明事故缘由最为科学、可靠且有效的方式。从现代黑匣子的工作原理而言，航空器在通电后，黑匣子即自动开启工作状态，并不受人为影响与控制。其能够实时记录航空器各系统的运行状态、飞行员对于航空器的操作情况以及航空器上相关音频信息，且黑匣子记录的数据信息不可删节或更改。根据民航业要求，黑匣子所采集的实时信息，必须保存断电前至少25小时以上的飞行数据以及最后2小时的音频信息。
黑匣子作为一种事关飞行安全的重要航空电子设备，具有抗强冲击、抗穿透、抗高温火烧、抗深海压力、耐海水浸泡、耐腐蚀性液体浸泡等特种防护能力，能在各种飞机事故中保存其内部存储的信息。
按照黑匣子的用途，它被形象地称为“法官”、“教官”和“医生”。所谓法官，是基于飞行事故调查的用途，事故发生后通过找回黑匣子，对数据译码分析，可以判定事故真正原因，避免同类事故再次发生；所谓教官，是指在飞行员监控方面的功能，通过日常分析黑匣子的数据，纠正飞行员不良驾驶习惯，预防事故发生；所谓医生，则是在飞机故障诊断与维护方面的作用，通过对黑匣子数据进行日常分析，监控、预测飞机主要部件的健康状态，排查故障隐患，防止故障发展为事故。
为了事故调查时获取客观、全面的信息，黑匣子记录数据的种类和数量不断增加。数据种类从最初的飞行、音频数据，拓展到了视频和数据链数据；参数数量从最初的五个逐步发展到几百个甚至上千个。飞行数据一般包括飞机和发动机运行状态、飞行员操纵情况、飞机外部信息等；音频数据一般包括正、副驾驶员的通话、飞机与地面的通话、机组之间的通话以及驾驶舱环境声音等；视频数据一般包括驾驶舱仪表显示、飞行员动作、飞机前方视景、起落架收放状态等。通过专用数据回放软件，可用黑匣子数据直观真实地再现飞机飞行过程，自动分析飞机可能存在的故障隐患和人员操作异常，预防故障或事故发生，极大地提高了航空飞行安全水平。
按照航空法的规定，在大型商业飞机上必须安装飞行数据记录器(FDR)。飞行数据记录器在发动机工作（或飞机离地）后，自动实时地记录飞机的飞行状态参数和发动机工作状态参数，为分析飞行情况及飞机性能提供必要的数据。因此，飞机制造厂根据试飞数据改进设计方案或制造工艺，消除飞机上的各种隐患，使飞机有更好的安全性能和经济性能；在飞行培训中，可利用记录的数据来评定驾驶员的驾驶技术，确保训练质量；航空工程部门根据数据的衰变，快速准确地判明飞机的故障、飞机性能及发动机性能的变化趋势，以便确定维修实施程序进行维修。此外，当飞机出现事故后，可以根据记录数据帮助分析事故原因等。
机载飞行数据记录器记录飞机最近25小时的实时飞行状态参数与系统数据以及飞机系统工作状况和发动机工作参数等。飞行数据记录器从最初仅记录几个参数发展到可记录几十类上万个参数。例如，时间、航向、高度、空速、垂直加速度、发射监控信号、发动机参数、襟翼位置、横滚角、俯仰角、纵轴和横轴的加速度、飞行控制舵面的位置、无线电导航信息、自动驾驶仪的工作情况、大气温度、电源系统的参数和驾驶舱警告等。
现代飞行数据记录器有两种类型，一种是磁带式飞行数据记录器，另一种称为数字式飞行数据记录器。飞机大多选用数字式飞行数据记录器为固态飞行记录器存储数据。为使记录器上的信息在较为恶劣的环境下不丢失，记录器必须具有抗坠毁、耐火烧、耐海水和各种液体浸泡的能力。
数字式飞行数据记录器系统(DFDRS)包括：飞行数据记录器、飞行数据获取组件、加速度传感器、控制面板和水下定位装置等。飞行数据记录器安装在一个防震的涂成黄色或亮橙红色的盒子里，其坚固的壳体对内部器件起着保护作用。盒子安装在飞机尾舱附近，能经受极高的冲击力，并防火、防水。
沿飞机三轴安装的加速度传感器，测量飞机的纵向、横向和航向加速度，并将测量数据输送给飞行数据获取组件；飞行数据获取组件由飞机系统中获取数据，并输送给飞行数据记录器记录。
飞行数据记录器控制面板置于驾驶舱内，控制板上安装有一个控制开关和故障指示灯，人工可将该开关置于“正常”位置，意味着处于正常工作状态．当发动机工作后便自动进入记录方式。如开关处于“检查”位置，则处于地面检查方式，供地面测试飞行数据记录器使用。控制板上的故障指示灯用来向飞行人员提供记录系统故障报警的目视信号。当飞行数据记录器失效时，失效警告灯点亮。
航班/日期编码器包括六个人工调定的拇指轮和事件(EVENT)、重复(REPEAT)按钮以及剩余时间指示器。拇指轮中的前四个用于给定航班号，后两个用于给定日期。事件按钮供飞行员记录发生的事件，当飞行员发现某一异常情况时，可立即按下此按钮，记录器便记下此时的信号。重复按钮在开始飞行或飞行中某一时刻按下时，将航班和日期编码写入飞行记录器，当编码器工作时，指示灯点亮。
水下定位装置，即飞行数据记录器上安装的水下信标发射器，可使记录器在深水中定位，发射器的发射距离为2-3米。发射器具有一个独立的电源，一旦进入水中立即开始工作，并能连续工作30天。
飞行数据记录器采用数字方法记录和存储数据。对于要求安装FDR的系统，必须能记录飞行中的一些重要参数。如：时间、高度、空速、垂直加速度、航向、无线电发射键控状态、俯仰姿态、横滚姿态、横向加速度、驾驶杆或升降舵的位置、俯仰配平的位置、驾驶盘或副翼的位置、方向舵脚蹬或方向舵的位置、每台发动机的推力、发动机反推的位置、后缘襟翼或襟翼手柄的位置、前缘襟翼或襟翼手柄的位置等。飞行数据记录器记录参数的多少取决于记录器的形式和飞机本身的需要。
驾驶舱语音记录器（CVR）主要记录飞机机组人员通信信息，包括飞机机组人员通信、声音警告、飞机接收和发送的数据链信息。驾驶舱语音记录器除对驾驶舱语音进行记录外，同样可以记录无线电接口装置通过ARINC429总线传输来的数据链信息。一个UTC时钟输入用于同步语音记录器和飞行数据记录器。CVR收集音频记录和可用的数据链信息并以“先进先出”的方式存储。语音信息最少可记录120分钟的数据。数据都存储在防撞击记忆装置CSMU的固态存储器内，该存储器经过坠毁撞击或浸泡在水里仍能保存。
驾驶舱语音记录器上有4条音轨，分别用来记录飞行员与航空管制员的通话，正、副驾驶员之间的对话，驾驶员、空服员对乘客的广播以及驾驶舱内的各种声音(引擎声、警报声等)。录完后，会自动从头录起。依照法规，所安装的语音记录器应该保留运行过程中至少最后2小时所记录的信息。
语音记录器和飞行数据记录器一样，安装在飞机尾舱后部的一个盒子里。该盒子也是黄色或橙红色的，防冲击、防震、防火、防水。通常必须独立于飞行数据记录器。语音记录器从飞行前启动发动机之前使用检查单开始，到飞行结束完成最后的检查单为止．始终连续工作。
驾驶舱语音记录器主要由记录器和控制板组成。早期的语音记录器采用磁带作为记录介质，现代飞机多采用固态的语音记录器，即将数据存储到半导体芯片上。语音记录器控制板用于对记录器进行远距离的控制和测试。
黑匣子在陆地的定位主要依靠人工目视，找到飞机残骸后，利用黑匣子外表明亮、独特的颜色和反光标识进行搜寻。在确定大致位置范围后，即使黑匣子埋入土中，也可用金属探测仪等探地工具寻找。
黑匣子在水下定位主要依靠水下定位信标（ULB，Underwater Locator Beacon）。它是一个电池供电的水下超声波脉冲发生器，牢固地安装在黑匣子外部。一旦黑匣子入水，信标上的水敏开关启动信标工作，通过信标的金属外壳把频率为37.5kHz的超声波信号发射到周围水域，每秒一个脉冲。其内置电池可连续工作至少30天，30天后随着电量逐渐耗尽，超声波信号将越来越微弱直至停止工作。
信标可以在6096米的深度内发出超声波，但在距离信标1800~3600米的范围内才能够被仪器探测到，海水的状态、周围的船只、海洋动物、石油管道以及其他因素造成的周围噪音都会影响信标的被探测范围。
水下定位信标发出信号时，可以通过专用声呐探测仪进行定位。由于信标信号的可探测范围相对于大海而言极其有限，一般先要进行残骸大致范围定位，然后再通过拖曳式声呐缩小定位范围，最后再使用可以定位信号来源方向的水听器，定位黑匣子的方位。
如果黑匣子沉入浅海，可由潜水员进行打捞。如果黑匣子沉入深海，超过人工潜水深度时，需要使用专门的搜索、打捞设备，一般可使用轮船放下水下线控机器人，操作人员在船上通过综合显示控制台，控制机器人携带的海底声呐扫描设备、信标方位定位器、深海摄像头定位黑匣子，通过机械手打捞黑匣子。
虽然黑匣子带有水下定位信标，但由于信标作用距离仅为几千米，坠毁时可能与黑匣子分离，一旦打捞时间超过30天，定位信号可能消失，造成黑匣子定位困难。即使定位成功，深海打捞也存在难度大、时间长、费用高，甚至无法打捞等问题。据统计，1970-2009年，大型民用航空器在公海坠毁的36起事故中有4起未找到飞机残骸、9起未找到黑匣子，反映出水下定位信标定位方式存在一定的局限性。
除了黑匣子能够在飞机事故后发出定位信号，民航规章要求载客19人以上的飞机必须至少装备一台应急定位发射机（ELT，Emergency Locator Transmitter），其在事故后通过无线电和卫星方式发送定位信号。但如果在水面失事时幸存人员来不及携带和打开ELT，或ELT与残骸一同沉入水下，其就会失去作用。据统计，近年来飞行事故中ELT发挥了作用的仅为29%。从目前得到的信息看，MH370航班的多个ELT设备均还没有发挥作用。
此外，虽然传统黑匣子的抗坠毁性能标准在不断提高，然而在一些严重事故中，黑匣子损坏的情况仍时有发生。据统计，陆地坠毁的飞机中黑匣子存活率仅为82%。
为了解决水上事故后定位打捞黑匣子困难以及陆地事故后黑匣子存活率达不到100%的难题，抛放式黑匣子应运而生。此类黑匣子可通过其坠毁感知传感器监控飞机事故时触地或坠海瞬间的特征参数异常变化，迅速控制其与机体抛放分离，原理与汽车在撞击瞬间释放安全气囊相似。黑匣子在事故瞬间离机后，如果落在陆地，可避免机体残骸的冲击和火烧等破坏；如果落在海上，可避免随机体坠入海底，其设计还可保证以预定的姿态漂浮在海面上。之后，黑匣子通过无线电和卫星自动发送定位信号。定位抛放黑匣子的过程首先是通过搜救卫星406MHz频率初步确定搜寻范围，然后再通过121.5MHz频率的无线电定位仪完成定位，卫星可实现全球定位，无线电定位范围通常为几十到几百千米。
由于具有以上特点，抛放式黑匣子不但便于事故后搜寻和打捞，同时可作为传统黑匣子的备份提高数据存活率。
中国的飞机黑匣子技术虽然起步较晚，但紧跟国际民航标准，产品发展也历经了四代。中国已经建有国家级飞机黑匣子坠毁防护性能验证试验室，1978年研制了中国第一台磁带式黑匣子；1990年研制出了中国第一台采用半导体记录介质的黑匣子；1991年取得中国第一个机载设备适航证；2000年成功研制了紧跟TSO-C124a标准的黑匣子；2012年成功研制了抗飞机高速坠毁的黑匣子，超出TSO-C124b标准要求。研发的新型抛放式黑匣子，具备水上漂浮、无线电和卫星定位功能。
中国在抛放式黑匣子领域紧跟国际发展。根据最新国际标准，已研制出相关产品，具备坠毁前抛放功能，离机后能抗一定的冲击和火烧，具有漂浮功能，内部装有无线电定位信标、北斗卫星定位信标，可在复杂海况下工作。特别是内置的北斗卫星定位信标，可以坠毁后立即定位，性能优于通用的国际救援卫星系统，后者有平均1小时的定位延迟时间，还可以通过短报文功能直接向地面指挥中心发送报警和定位数据，以便第一时间准确定位和搜救打捞，提高了事故救援效率，缩短了事故调查时间。该系统的北斗短报文功能也可配置为正常飞行过程中飞机关键信息的定期报告。
汽车黑匣子，又称“汽车行驶记录仪”或“汽车综合信息记录仪”，有人将其形象地称为汽车电子警察。汽车黑匣子一般由传感器、记录器、显示器等组成，其功能是在汽车行驶中精确地记录下多种工作状态时的参数，能及时反映出汽车行驶的动态数据，供驾驶员及时了解车况并纠控，在汽车发生超速行驶时还会自动报警。汽车一旦发生事故，它的处理软件系统会根据记录器中所采集的各种参数，用图像形式再现发生事故时的行驶轨迹。
火车黑匣子一般装配在车头部，又名“火车运行监控记录器”。除了跟飞机黑匣子类似的记录功能外，它还具有显示、提醒、报警、自动鸣笛、紧急制动等监控管理功能。当列车司机驾驶不当、机车发生故障等危及列车安全的问题出现时，黑匣子会用语音及时提醒司机采取措施；如果司机不能马上回应，它就会自动转为紧急停车或减速，确保列车运行的绝对安全。
船舶黑匣子的学名叫“船载航行数据记录仪（简称VDR）”，主要功能是记录、处理、压缩、储存和回放事故船舶在发生灾难事故前16小时内，船舶上的各种重要信息参数，其功能与飞机上的黑匣子差不多。但船舶黑匣子一般都不安装在船舱内，甚至有能在船难发生时自动与船舶主体分离的漂浮式黑匣子，这主要是出于便于打捞的考虑。
主词条：3·8马来西亚航班失踪事件
2014年3月8日凌晨2点40分，马来西亚航空公司称有一架载有239人的波音777-200飞机与管制中心失去联系，该航班号为MH370，客机黑匣子未找到。
主词条：6·1法航客机坠毁事件
2009年6月1日，法航AF447航班的空客A330-203飞机从巴西里约热内卢起飞6个多小时后失去了联系。2011年5月1日，海缆船伊尔德桑号找到飞行记录仪的内存并成功打捞上水；5月7日，飞行记录仪被送到巴黎进行分析。2011年7月29日BEA公布了最后的调查结果，认定空难是因为机组人员缺乏足够的训练、没有遵循飞行程序指引并忽视失速警告而引起的。至此，总共耗资超过3500万欧元（约合5000万美元）的调查工作，终于画上了句号。
主词条：3·21东航客机事故
2022年3月21日，东航一架波音737客机在执行昆明——广州航班任务时，于梧州上空失联。已确认该飞机坠毁，机上人员共132人，其中旅客123人、机组9人。3月23日，失事的MU5735航班的其中一部黑匣子被找到，并被确认为驾驶舱话音记录器。3月27日上午9时20分许，在撞击点东侧山坡坡面1.5米土层下，消防员发现一橙色罐体，经专家确认，是“3·21”东航飞行事故客机第二个黑匣子。3月31日，民航局航空安全办公室主任朱涛在举行的“3·21”东航MU5735航空器飞行事故国家应急处置指挥部第十场新闻发布会上表示，两部黑匣子数据正在解码中。
