分布式流域水文模型的研究起始于1969年Freeze和Harlan发表的《一个具有物理基础数值模拟的水文响应模型的蓝图》的文章。这是国际上第一次提出了关于分布式水文物理模型的概念。随后，1975年Hewlett和Troenale提出了森林流域的变源面积模拟模型。在该模型中，地下径流被分层模拟，在坡面上的地表径流被分块模拟。

1979年evenh和Kirbby提出了以变源产流为基础的TOPMODEL。该模型是以地形为基础的半分布式流域水文模型，其主要特征是利用地貌指数来反映流域水文现象。由于未考虑降水、蒸发等因素的空间分布对流域产汇流的影响，因此它不是严格意义上的分布式水文模型，类模型也被称为半分布式水文模型。

一个真正意义上的分布式水文物理模型是由英国、法国和丹麦的科学家联合研制而成的SHE模型。该模型主要的水文物理过程均可用质量、能量和动量守恒的偏微分方程的差分形式来描述，也可由经验方程表示；SHE模型考虑了截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、地表径流、壤中流、地下径流、融雪径流等水文过程。流域在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨输入及水文响应的空间分布性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层次的土壤水运动问题。20世纪90年代初期丹麦水力学研究所将SHE模型进一步发展研制出MIKE SHE模型。

Jeff Arnold（1994年）为美国农业部（USDA）农业研究中心（ARS）开发了SWAT模型，该模型是在SWRRB模型基础上发展起来的一个长时段的流域分布式水文模型。SWAT是一个具有很强物理基础、适用于具有不同的土壤类型、不同的土地利用方式和管理条件下的复杂的大流域，在加拿大和北美地区具有广泛的应用。SWAT模型主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响，SWAT能够在缺乏资料的地区建模，具有输入数据容易获取、计算效率高等特点。SWAT模型应用现有的概念性模型在每一个网格单元（或子流域）上进行产流计算，然后再进行汇流计算，最后求得出口断面流量，这类模型也称松散耦合型分布式水文模型。

此外，USGS模型、WATDFLOOD模型、SLURP模型和PRM模型等都属于分布式水文模型的范畴。

关于分布式水文模型，我国的研究相对于国际水文学界起步较晚，但最近十几年也取得了较大进展。1995年沈晓东等人提出了一种在GIS支持下的动态分布式降雨径流流域模型，实现了基于栅格DEM的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。2000年黄平等建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文数学模型，并用有限元数值方法求解模型。同年郭生练等建立了一个基于DEM的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程。同年，任立良和刘新仁在数字高程模型（DEM）的基础上成功开发了分布式的新安江模型。李兰等建立了一个按子流域划分的分布式水文物理模型，该模型包括产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进四大部分。2001年郭生练、杨井等建立了基于GIS的分布式月水量平衡模型，2002年俞鑫颖、刘新仁等建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型，2002年夏军等开发了分布式时变增益水文模型（DTVGM），唐莉华等提出了一个针对小流域的分布式水文模型，包括产汇流和产沙模型。