纸是中国古代科技的四大发明之一。当今造纸工艺的基本原理就是从中国古代造纸术发展而来的。从原料到成品的造纸过程中，最关键的工序是制浆。成浆的步骤实质上是一个化学处理过程，加上纸的漂白、染色和上胶等工艺，都涉及化学变化，因此历来把造纸当做化学工艺的一个部分。
早期的植物纤维纸
按传统的说法，纸主要是指以植物纤维为原料，经过加工处理而抄成的平滑的薄页，适于书写、印刷、包装之用。在没有发明纸之前，中国古代所用的记事材料主要有甲骨、简牍、缣帛等。
甲是乌龟壳，骨是牛羊等动物的肩胛骨。先民早在3500多年前的商代就用它们记下“卜辞”，即今称之为“甲骨文”。尽管甲骨文与现代的汉字差别很大，但它确是中国已知的最古老的文字。甲骨是现存的最早的记事材料。从1899年起，考古工作者陆续在河南安阳、山东济南、山西彬县等许多地方发掘出了16万多片的甲骨，对人们认识当时的社会和文化很有帮助。甲骨来源有限，刻字、携带、保管都不方便。人们也曾在青铜器内铸上铭文或在石头上刻上文字，同样由于难度较大而数量有限。
古代记事材料使用最多的是简牍。南方盛产竹子，故使用竹简、竹牍较多。北方多以柳树、杨树制作木简、木牍。1951年至1953年在湖南长沙近郊的战国时期墓葬中发现了竹简几十枚。1972年在山东临沂银雀山汉墓也发现了大量竹简，其内容是早已散佚的《孙膑兵法》。1972～1974年从湖南长沙马王堆汉墓里出土了竹简900多枚。1975年在湖北江陵西汉墓葬中也清理出竹简、竹牍、木牍多枚。尽管简牍十分笨重，写作、阅读也不便利，但由于它来源广，制作易，在商代开始用后，很快流行，成为春秋战国时期最常见的书写材料。
1974年从长沙马王堆三号汉墓中发现了大批帛书。可以想像缣帛也是当时的书写材料。尽管缣帛便于书写，但是其价格昂贵，汉代一匹缣（2.2汉尺×0.4汉尺）值六石（720汉斤）大米。所以缣帛只有少数王公贵族才能用于书写。人们必须寻找一种既便于书写又价格便宜的书写材料，纸正是在这种情况下应运而生的。
1933年考古学家黄文弼在新疆罗布淖尔古烽燧亭中发现了西汉古纸。此纸“麻质，白色，作方块薄片……质甚粗糙，不匀净，纸面尚存麻筋”，纸幅约为4厘米×10厘米。与之同时出土的还有黄龙元年（前49）的木简。
1957年在陕西西安市郊灞桥出土了古纸。该纸呈浅褐色，无字迹，纸幅较大者约为10厘米×10厘米，多裂成碎片。根据同时出土的文物断定它不晚于公元前118年，即应是西汉古纸。经过显微分析，其原料主要是大麻纤维，有少量苎麻，纤维短细匀整，显然经过切断，并有压溃凌和帚化现象，纤维分散交织，具有纸的典型结构。激光光谱分析表明该纸中钙离子数量远多于土壤，水或原料中的含钙量，说明它是经过化学处理和机械处理的，既非破布，也不是乱麻，而是纸。
1973年在甘肃居延肩水金关发现了不晚于公元前52年的西汉麻纸两块。其中一张纸色白净，一面平整，一面起毛。
1978年在陕西扶风中颜村出土了西汉宣帝（前73～前49年）的三张麻纸。该纸呈乳黄色，十分结实。
出土的西汉古纸1979年在甘肃敦煌县马圈湾西汉烽燧遗址出土了五件8片西汉麻纸，考古断代在公元前1世纪至公元1世纪初年。其中年代较早的一张约有32厘米×20厘米，是迄今为止出土的西汉古纸最大的一张，呈黄色，较粗糙。
曾有人认为上述西汉古纸上无文字，只能做杂用，故尚不是书写材料。但是从1986年在甘肃天水放马滩出土的西汉纸质地图的碎片来看，西汉古纸可供写绘之用。该纸在一属于西汉文帝、景帝时期（前179～前141）的墓葬中出土，出土时呈黄色，后变浅褐色。纸质薄软，纸面平整光滑，残长5.6厘米，宽2.6厘米，其上用墨色绘有地图。该纸经鉴定为麻纸，是迄今所知年代最早的古纸。
1991年在甘肃汉代邮驿悬泉置遗址里发现了大量的西汉宣帝、元帝时期（前73～前33）的麻纸，其中还有四件墨写文字的纸。以上一系列的西汉古纸的出土，足以说明中国早在西汉已发明了造纸术。
成书于公元100年的许慎著的《说文解字》说：“纸，絮一箔也，从系氏声。”同时还说，“絮：敝帛系也”，“箔：澈絮箦也”，“澈：于水中击絮也”，“箦：床栈也”。综合上述字的释义，许慎认为纸是类似于丝絮在水中经击打而留在床席上的薄片。这可能是现存古文献中对纸的最早释义。东汉服虔《通俗文》说：“方絮曰纸。”《后汉书·蔡伦传》也说：“书契……其用缣帛者谓之纸。”上述的释义可以肯定地告诉人们，造纸术的发明与古代蚕丝的漂絮法有直接的联系。
早在商代以前，中国的先民已能植桑养蚕，缫丝织绢。对于次茧一般将其加工成丝绵：把次茧用水煮沸，脱除胶质，用手工把茧剥开，加以清洗，再浸没在水中的篾席上，用棒反复捶打，直到蚕衣被捣碎，蚕茧散开连成一片，丝绵即成。这种方法叫“漂絮法”，最早见于战国时代。《庄子·逍遥游》说：“宋人有善为不龟手之药者，世世以辟为事。”即“浮”意，“僻”为“漂”的意思，“辟”即絮的意思，这句话是说宋国人多以漂絮为业，能做防手龟裂的药。漂絮法以制丝绵为主要目的，但每次漂絮完毕，总有一些残絮遗留在篾席上，晾干后即可得一层残絮交织的薄片，这就是丝絮纸。既然丝织的缣帛可以书写，那么丝絮纸也可用于书写。但是残絮有限，产量不多，价钱也较贵，加上易于腐坏，不能长期存放，所以难以普及推广。
中国是世界上最早种植和利用麻类植物的国家之一，大麻盛产于黄河流域，苎麻多植于南方。麻纺首先一道工序就是沤麻，利用水中的微生物分解麻类韧片纤维中的胶质，从而达到脱胶的目的。《诗经·陈风》中写道，“东门之池，可以沤麻”，“东门之池，可以沤伫”。《诗经·周南》中也说：“葛之覃兮，施于中谷，维叶莫莫。是刈是，为缔为络，服之无敦。”“刈”是“割”的意思，是“煮”的意思，“绪”表示细布，“络”为粗布。可见当时已发展到运用煮制的方法来脱胶。据对长沙马王堆出土的西汉苎麻布的分析，当时已采用草木灰或石灰的水来煮沤麻类，以使其脱胶。
麻类植物的脱胶及稍后加工成较细麻丝的工艺，和制丝绵的漂絮法一样，都为造纸术的发明提供了技术上的借鉴。通过对古纸的分析，参考传统的手工造纸技术，古代造纸工艺应包括以下几个步骤：第一，将大麻、苎麻等原料洗净切碎；第二，将切碎的原料在石灰或草木灰的碱性水溶液中浸沤，以除去其中的果胶、色素及木素；第三，将已除去胶质的纤维在石臼中舂捣成浆；第四，反复清洗已捣碎成浆的纤维素，再制成棉絮状，用竹席或丝制网筛抄出一层纤维薄片，晒干或晾干后即成纸。以上造纸工序的技术基本上已包含在沤麻、漂絮的工艺之中，在屡见丝絮薄片和麻缕现象的启迪下，发明造纸术是可以想像的。
早期的造纸技术显然不会很完备，所造的纸的质量也不稳定，例如出土的灞桥纸结构就比较松散，其中还有没被切断的较长麻纤维。加上纸被人们认识要有个过程，造纸技术的推广更需要一个动因，产量有限的纸张很难取代简牍、缣帛等书写材料，有条件的王公贵族宁可用缣帛，也不会使用纸。所以在造纸术发明的初始阶段，即在西汉时期，甚至在东汉的很长一段时间里，书写的主要材料仍是简牍和缣帛。例如，1973～1974年在长沙马王堆西汉墓葬中先后发现了900多枚竹简和2万多字的帛书及5幅精美的彩绘帛画。这就是当时南方使用简牍和缣帛为书写材料的一个反映。改变这一状况，使纸成为主要的书写材料，要归功于蔡伦。
蔡伦和造纸术的改革发展
《后汉书·蔡伦传》记载：“蔡伦字敬仲，桂阳（今湖南耒阳）人也……永元九年（97），监作秘剑及诸器械，莫不精工坚密，为后世蔡伦像法。自古书契多编以竹简，其用缣帛谓之为‘纸’，缣贵而简重，并不便于人。伦乃造意用树肤、麻头及敝布、渔网以为纸。元兴元年（105）奏上之。帝（汉和帝）善其能，自是莫不从用焉。故天下咸称‘蔡侯纸’。”据考《后汉书》这一记载是来自《东观汉纪》的“蔡伦传”，该传是汉桓帝元嘉元年（151）延笃等人根据汉桓帝的指示撰写的。蔡伦卒于汉安帝建光元年（121），时代相去不远，所以延笃等人的记载是可信的。
晋张华（232～300）的《博物志》亦云：“蔡伦始捣故渔网造纸。”董巴（3世纪人）的《舆服志》云：“东京有蔡侯纸，即伦也，用故麻，名麻纸，木皮名谷纸，用故渔网，名网纸也。”南朝刘宋的盛弘之在《荆州记》中写道：“伦始以渔网造纸，县人今犹多能作纸，盖伦之遗业也。”这些记载一再表明蔡伦其人其事是有充分根据的。
蔡伦在明帝永平十八年（75）入宫为太监，建初中为小黄门，汉和帝永元元年（89）升中常侍，永元九年（97）兼少府尚方令。东汉时少府下属的尚方相当于皇室的手工工场，专门制作御用器物。在蔡伦主持下，尚方制造了大量精美的御用器物。而使蔡伦名垂青史的是，在他任尚方令期间，总结了零散的民间造纸术，加以革新，利用尚方的有利条件，造出了一批质地良好的纸，于汉和帝永元十七年（105）献给了汉和帝刘肇，受到了表彰和重视，纸和造纸术从此为人们所推崇。汉安帝元初元年（114），蔡伦被封为“龙亭侯”，人们称尚方所造的纸为“蔡侯纸”。汉安帝建光元年（121），蔡伦因卷入宫廷斗争而被迫服毒自杀。根据以上的史料，蔡伦作为一个造纸专家，其贡献有：
第一，扩充了造纸用的原料。除大麻、苎麻外，还充分利用了其他废旧的麻制品——麻头、麻布、渔网等，特别是树皮。树皮的来源不亚于麻类。以树皮为原料的纸中又以楮皮纸为最重要，在东汉以后，楮皮纸是大量生产和使用的纸张品种之一。
第二，改进并发展了造纸技术。麻绳头、渔网、麻布等旧麻制品都需捣碎，颜色较深的还需脱色。树皮中木素、果胶等杂质含量远较大麻、苎麻高。所以在脱胶制浆中，对技艺的要求就较高，据分析当时可能采用灰水或灰水与石灰水混合液来制浆。因为石灰水中含有氢氧化钙，而灰水中含有较多碳酸钾。使用灰水或灰水与石灰水的混合液，碱性适中，既可成浆，又不破坏纤维素。蔡伦能够利用麻绳、麻布、渔网和树皮制造出质量较好的纸张，必定是在制浆工艺上做了重大改进，很可能是首先采用了碱液蒸煮制浆。
第三，推广纸的运用和造纸技术。古代技术往往密不示人，只在少数工匠师徒间秘密传承，造纸技术应不例外。加上造纸术发明之初，所造的纸质量欠佳，难登大雅之堂，直到东汉中叶，还有不少文人学士鄙视纸张。虞世南（558～638）汇编的《北堂书钞》里写了一个崔瑗赠书的故事。崔瑗是一个东汉文人，他给朋友葛元甫（即葛龚，生于1世纪末至2世纪初）写信，大意是：送上《许子》十卷，由于经济不宽裕，买不起帛，只好用纸写，表示十分抱歉。这件事反映了当时一些文人对纸张的认识。蔡伦则不同，他认识到纸的重要，因而总结民间的经验，改进和发展了造纸技术，使纸和造纸术广为人知，引起了全社会的重视。
蔡伦造出的质量较高的纸，使人们开始认识到，纸有竹木之廉，而体轻层薄，兼有帛之柔，却无其贵，有金石之久而无其笨重。纸是廉价而又轻便的最理想的书写材料。造纸业作为一种社会需求，伴随着社会文化的发展而稳步地发展。东晋末年豪族桓玄于晋安帝元兴三年（404）废晋安帝，改国号为“楚”，并下令以纸代简：“古无纸，故用简……今诸用简者，皆以黄纸代之。”简牍文字从此基本绝迹。纸不仅在民间通用，而且成为官方文书的载体。
出土的西汉古纸都是麻纸，东汉仍以麻纸为主。蔡伦发明了以树皮为原料的皮纸，主要是楮皮纸。楮就是枸树，也叫谷树，系落叶乔木，开淡绿色花，果实呈红色，皮部纤维强韧。贾思勰在《齐民要术·种谷楮》中有专章介绍楮的种植方法和情况，并指出“其皮可以为纸者”，“煮剥卖皮者，虽劳而利大。其柴足以供热，自然造纸，其利又多”。由此可见种楮在农业中的地位，它为造纸业提供了一种充裕的原料，所以楮皮纸在社会流行起来。
现存于故宫博物院的一件文物——《平复帖》，是用晋代麻纸写的，它比1942年在内蒙古额济纳河岸旁汉代烽火台出土的写有汉隶字的东汉麻纸要好得多，表明晋代的麻纸在质量上又有明显的提高。相传东晋著名的书法家王羲之有一次送给谢安的麻纸就达9万张，可见当时造纸业的兴旺。
既然大麻、苎麻及其制品和树皮都可用做造纸原料，人们便试用更多的植物纤维来造纸。东晋的范宁（339～401）在浙江做官时，发出通告说：“土纸不可作文书，皆令用藤角纸。”土纸即用稻、麦秆为原料所造的纸，即今南方的草纸。因其纤维较短，所以制成的纸张质地较粗，不耐用。藤纸是用藤皮为原料所造的纸，藤皮具有强韧的长纤维，所以用它制成的纸，质量较高。这条文献表明：在公元4～5世纪的东晋，已采用稻草、麦秆等草类作物来造纸了，同时，质量较高的藤纸也已开始流行。
唐代经济文化的全面发展，使造纸业成为欣欣向荣的一个手工业部门。造纸生产遍及全国各地。