Der genaue Zeitpunkt der Erfindung des Baumkuchens ist nicht bekannt, im Mittelalter gab es jedoch auch Brote, bei denen der Teig um einen Spieß gewickelt und über dem Feuer geröstet wurde (heute noch bekannt als Stockbrot oder Knüppelteig).
Es wird von einigen Historikern angenommen, dass der Baumkuchen ungarischen Ursprungs ist. Er sei eine Art Hochzeitskuchen gewesen und habe einen schnellen Einzug in die deutsche Küche gefunden. Andere behaupten aber, dass eine ähnliche Form bereits den alten Griechen bekannt gewesen sei.
Erste Rezepturen für den Kuchen gibt es in einem italienischen Kochbuch von 1426. Ein frühes deutschsprachiges Rezept findet sich 1581 bei Marx Rumpolt als Spießkuchen. Die Bezeichnung „Baumkuchen“ (lateinisch placentae cylindricae) wurde erstmals 1682 in einem diätetischen Kochbuch von Johann Sigismund Elsholtz verwendet, dem Leibarzt Kurfürst Friedrich Wilhelms von Brandenburg. Wegen seiner ähnlichen Form wird oft auch der Baumstriezel irrtümlich Baumkuchen genannt. Das älteste überlieferte deutschsprachige Rezept erschien um 1450 in einer Heidelberger Handschrift. In Nürnberg und Frankfurt am Main war Baumkuchen schon im 15. Jahrhundert ein bekanntes Hochzeitsgebäck der Patrizier.
Im 16. Jahrhundert veränderte sich die Herstellungsmethode; der Kuchenteig wurde nun nicht mehr ringförmig um eine rotierende Holzwalze gelegt, sondern als ganzes Stück und mit Schnüren festgebunden. Durch das Abbinden entstanden die typischen Einkerbungen des Baumkuchens. Im 17. Jahrhundert kam eine weitere neue Fertigungsmethode auf, bei der die dünnflüssige Masse schichtweise auf die sich drehende Walze aufgetragen wurde. Zu dieser Zeit wurde es auch üblich, eine Glasur aus Zucker und Rosenwasser aufzutragen. Zucker wurde bei der Massezubereitung zu dieser Zeit aber noch eher sparsam verwendet, man benutzte zum Würzen Muskat, Zimt und Kardamom.
Die heute übliche Rezeptur entstand erst im 18. Jahrhundert. Eines der ersten bekannten Rezepte dieser neuen Art ist in der 7. Auflage des Nieder-Sächsischen Koch-Buchs von 1758 enthalten (siehe auch 10. Auflage von 1776). Zu dieser Zeit wurde der fertige Baumkuchen mit geraspelter Schokolade bestreut oder ganz mit Kuvertüre bestrichen. Seit etwa 1800 wurden diese Kuchen kaum noch in privaten Haushalten hergestellt, sondern fast ausschließlich von Konditoren. Baumkuchen wurde in der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts vor allem in Berlin gebacken, wobei Migranten aus der französischen Schweiz, wie Josty, Spargnapani oder d’Heureuse, den Markt prägten. Die Aufnahmekraft des Berliner Marktes erlaubte seit den 1870er-Jahren Versandbäckereien in Dresden, Cottbus, Stettin und Salzwedel den Absatz ihrer lokalen Spezialitäten. Salzwedeler Baumkuchen besitzt seit 2010 das EU-Gütezeichen geschützte geografische Angabe (g.g.A.).
Der im späten 18. Jahrhundert noch vielfach von Adeligen auf Prunktafeln präsentierte Baumkuchen wandelte sich im 19. Jahrhundert zu einer Speise des gehobenen Bürgertums. In Mitteldeutschland, Brandenburg, Mecklenburg und Pommern wurde er zu einer repräsentativen Hochzeitsspeise. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts reichte man Baumkuchen auch zu Ostern, zu Silvester und größeren Familienfeiern. Im späten 19. Jahrhundert wurde er zunehmend zu einem typisch deutschen Kuchen, auch zu einem Teil des Bismarck-Kultes. Zugleich begann mit einfacheren Varianten, etwa der Baumkuchentorte, der Bismarck-Eiche oder aber den Baumkuchenspitzen eine Verbreitung des Gebäcks auch in der Mittelschicht. Neue mit Gas und dann auch mit Elektrizität betriebene Backöfen führten auch zu preiswerterer Konditorenware, wovon vor allem die Versandbäckereien profitierten.