En los siglos XVI y XVII el término sonata, que aparecía con creciente frecuencia en los títulos de las obras instrumentales, significaba meramente pieza sonora instrumental distinguiéndose así de las composiciones vocales. El término no implicaba entonces una forma o estilo de composición específico. La forma y el estilo se desarrollaron en Italia a finales del siglo XVI y principios del XVII, al cultivarse por vez primera la música instrumental a gran escala. La forma tenía varias secciones claramente delineadas en tiempos y texturas contrastantes, como una sección tipo danza seguida de una melodía lenta con acompañamiento, a la que seguía una sección rápida en forma de fuga. Dichas composiciones no necesariamente se llamaron sonatas; más a menudo se utilizaban los términos ricercare o canzona. Durante la década de 1630 el número de secciones en dichas piezas tendía a disminuir a tres o cuatro, mientras que aumentaba la longitud de las secciones restantes y la estructura formal se volvía más compleja, incorporando relaciones a largo plazo en las que intervenían el ritmo, la armonía, la melodía y otros rasgos musicales. Finalmente, las secciones se convirtieron en movimientos separados.

Hacia el siglo XVII emergieron dos categorías: la sonata da chiesa, o sonata de iglesia, una obra seria con cuatro movimientos con la estructura lento-rápido-lento-rápido y que reflejaba la complejidad del contrapunto de los más antiguos ricercare y canzona; y la sonata da camera, o sonata de cámara, una serie de movimientos cortos con origen en la danza, precursora de la suite. La combinación instrumental más típica para la sonata durante el barroco medio y tardío fue la sonata a trío: dos instrumentos melódicos acompañados por el bajo continuo (un instrumento bajo melódico apoyado por un instrumento armónico). El maestro por excelencia de la sonata a trío del siglo XVII fue el violinista italiano Arcangelo Corelli. También se escribieron sonatas para pequeños conjuntos instrumentales (incluidas muchas de Corelli) y para instrumentos solistas, como las sonatas de Johann Sebastian Bach para violín y para violonchelo solistas, y las sonatas para teclados solistas del alemán Johann Kuhnau. También se escribieron obras para un único instrumento melódico y bajo continuo, entre ellas las sonatas para violín del austriaco Heinrich von Biber, autor de las admirables sonatas del Santo Rosario para violín.

Durante la época preclásica y del clasicismo temprano, la sonata da chiesa, influida por la sonata da camera, evolucionó hacia una forma definida de tres o cuatro movimientos, el primero de los cuales generalmente estaba en forma sonata y poseía un tempo moderadamente rápido, el segundo tempo lento, y el movimiento final, en tempo rápido. Cuando se componía un cuarto movimiento, había un minué que se insertaba antes del movimiento final. A mediados del siglo XVIII el término sonata comenzó a utilizarse únicamente cuando el medio interpretativo era un instrumento de teclado solista o algún otro instrumento solo acompañado por un teclado. La forma sonata junto con sus principios, influyeron en la música de la época, no sólo en las sonatas instrumentales, sino también en las sinfonías, los conciertos y los cuartetos de cuerda, así como en otro tipo de música de cámara. La sonata clásica queda ilustrada con las obras de Wolfgang Amadeus Mozart, Joseph Haydn y Ludwig van Beethoven, los grandes maestros del clasicismo vienés. Al igual que la mayoría de los compositores del siglo XIX, Beethoven escribió sonatas en cuatro movimientos, pero en sus últimos años a veces abandonó la disposición propia de la sonata en favor de una cantidad de movimientos menor o mayor.

Durante el siglo XIX, la tradición de la sonata clásica se mantuvo en manos de compositores austriacos y alemanes del romanticismo como Franz Schubert, Robert Schumann y Johannes Brahms. Sin embargo, muchos compositores, entre ellos el pianista polaco Frédéric Chopin, tenían más facilidad para las piezas cortas que para las obras de mayores dimensiones; cuando escribían sonatas, tendían a no tomar en cuenta las relaciones musicales a gran escala y escribían movimientos sorprendentemente diferenciados, cuya estructura interna realzaban haciéndoles corresponder unos episodios diferenciados. Otros, como el pianista húngaro Franz Liszt, no tomaron en consideración gran parte del esquema tradicional. Su Sonata en si menor es una obra larga en un movimiento, que se parece al planteamiento del poema sinfónico.

Los compositores del siglo XX han seguido esquemas muy diferentes para escribir sus sonatas. Algunas, como las de Samuel Barber, son largas piezas escritas en la tradición del siglo XIX. Otras, como las del ruso Ígor Stravinski, han vuelto a los principios clásicos de la contención y la claridad formal. Un tercer grupo, como las del estadounidense Charles Ives, utilizan el término sonata de forma indefinida para sugerir en la mente del oyente las grandes tradiciones del pasado, pero con una estructura y carácter que tienden al individualismo. El significado del término sonata, por todo ello, está volviendo a su definición original, algo ambigua, como pieza instrumental sin que implique de modo necesario unas características predeterminadas.