กระจุกดาวทรงกลมแห่งแรกที่ค้นพบได้แก่ กระจุกดาว M22 ค้นพบโดย อับราฮัม ไอห์ล นักดาราศาสตร์สมัครเล่นชาวเยอรมัน เมื่อปี ค.ศ. 1665[10] แต่ด้วยความสามารถในการรับแสงของกล้องโทรทรรศน์ยุคแรก ๆ ยังไม่ดีนัก จึงไม่สามารถแยกแยะดาวฤกษ์แต่ละดวงในกระจุกดาวทรงกลมได้จนกระทั่ง ชาลส์ เมสสิเยร์ เฝ้าสังเกตกระจุกดาว M4 กระจุกดาวทรงกลม 8 แห่งแรกที่มีการค้นพบแสดงอยู่ในตารางทางด้านขวา ในเวลาต่อมา สมภารลาซายล์ ได้เพิ่มรายชื่อกระจุกดาว NGC 104, NGC 4833, M55, M69, และ NGC 6397 เข้าไปในรายชื่อวัตถุท้องฟ้าของเขาในฉบับปี 1751-52 ตัวอักษร M ที่นำหน้าตัวเลขหมายถึงเป็นรายชื่อดาวของชาลส์ เมสสิเยร์ ส่วน NGC ย่อมาจาก New General Catalogue ของ จอห์น เดรเยอร์

วิลเลียม เฮอร์เชล ได้เริ่มโครงการสำรวจท้องฟ้าโดยใช้กล้องโทรทรรศน์ขนาดใหญ่เมื่อปี ค.ศ. 1782 เขาสามารถจำแนกดาวฤกษ์แต่ละดวงในกระจุกดาวทรงกลมซึ่งเป็นที่รู้จักแล้ว 33 แห่ง นอกจากนั้นเขายังค้นพบกระจุกดาวเพิ่มอีก 37 แห่ง ในรายชื่อวัตถุท้องฟ้าในห้วงอวกาศลึกของเฮอร์เชลฉบับปี ค.ศ. 1789 ซึ่งเป็นฉบับที่สอง เขาได้ใช้คำว่า กระจุกดาวทรงกลม (globular cluster) เป็นครั้งแรกเพื่อเรียกชื่อกลุ่มดาวฤกษ์เหล่านั้นตามลักษณะปรากฏของมัน

มีการค้นพบกระจุกดาวทรงกลมเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เป็น 83 แห่งในปี ค.ศ. 1915, 93 แห่งในปี ค.ศ. 1930 และถึง 97 แห่งในปี ค.ศ. 1947 ปัจจุบันพบกระจุกดาวทรงกลมในทางช้างเผือกแล้วจำนวน 151 แห่ง จากจำนวนที่ประมาณการไว้ว่าน่าจะมีอยู่ราว 180 ± 20 แห่ง[11] เชื่อว่ากระจุกดาวที่ยังค้นไม่พบนี้อาจจะซ่อนอยู่หลังม่านแก๊สและฝุ่นในดาราจักร

ฮาร์โลว์ แชปลีย์ ได้เริ่มขบวนการศึกษากระจุกดาวทรงกลมตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1914 โดยได้ตีพิมพ์บทความทางวิทยาศาสตร์จำนวนมากกว่า 40 ฉบับ เขาศึกษาดาวแปรแสงชนิดเซเฟอิดที่มีอยู่ในกระจุกดาวเหล่านั้นและใช้ความสัมพันธ์ของคาบการเปลี่ยนแปลงแสงดาวในการประเมินระยะห่างของดาว

สำหรับในดาราจักรทางช้างเผือกของเรา มักพบกระจุกดาวทรงกลมส่วนใหญ่ที่บริเวณใจกลางของดาราจักร โดยที่ส่วนมากจะอยู่ด้านข้างของวงกลมท้องฟ้าของแกนกลาง ฮาร์โลว์ แชปลีย์ ได้ใช้การกระจายตัวที่ไม่สม่ำเสมออย่างมากนี้เพื่อช่วยในการประมาณขนาดโดยรวมของดาราจักรในปี ค.ศ. 1918 โดยใช้สมมุติฐานว่ากระจุกดาวทรงกลมกระจายตัวเป็นรูปทรงกลมอย่างหยาบ ๆ อยู่รอบแกนกลางดาราจักร เขาใช้ตำแหน่งของกระจุกดาวเพื่อประเมินตำแหน่งของดวงอาทิตย์เทียบกับแกนดาราจักร[12] ถึงแม้ว่าการประเมินระยะห่างของเขามีความผิดพลาดไปอย่างมาก แต่ก็ได้สะท้อนให้ทราบถึงขนาดของดาราจักรที่ใหญ่กว่าที่เคยคิดกันมามาก ข้อผิดพลาดของเขามีสาเหตุจากฝุ่นในดาราจักรที่ลดทอนปริมาณแสงซึ่งกระจุกดาวทรงกลมส่งมายังโลก และทำให้มันดูเหมือนอยู่ไกลกว่าที่เป็นจริง อย่างไรก็ดีการประเมินของแชปลีย์ครั้งนี้ได้ระดับความสว่างระดับเดียวกันกับค่าที่ยอมรับกันอยู่ในปัจจุบัน

การตรวจวัดของแชปลีย์ยังบ่งชี้ว่า ดวงอาทิตย์อยู่ห่างจากใจกลางดาราจักรมาก ตรงข้ามกับความเชื่อก่อนหน้านั้นทั้งเรื่องตำแหน่งปรากฏและการกระจายตัวของดาวฤกษ์ปกติ ในความเป็นจริงแล้ว ดาวฤกษ์ปกติทั่วไปตั้งอยู่ภายในแผ่นจานดาราจักรและส่วนใหญ่ถูกบังด้วยแก๊สและฝุ่น ขณะที่กระจุกดาวทรงกลมตั้งอยู่ภายนอกแผ่นจานและสามารถมองเห็นได้จากระยะทางไกล ๆ

ในเวลาต่อมา เฮนเรียตตา สโวพ และ เฮเลน แบทเทิลส์ ซอว์เยอร์ (ต่อมาเปลี่ยนเป็น ฮอกก์) ได้เข้ามาช่วยงานศึกษาวิจัยของแชปลีย์ ระหว่างปี ค.ศ. 1927-29 ฮาร์โลว์ แชปลีย์กับเฮเลน ซอว์เยอร์ ได้ช่วยกันจัดประเภทกระจุกดาวตามองศาความหนาแน่นของกระจุกดาวนั้นเทียบกับแกนกลาง กระจุกดาวที่หนาแน่นที่สุดเรียกว่าเป็นกระจุกดาวประเภท I ไปจนถึงกระจุกดาวที่กระจายตัวกันมากที่สุดเป็นประเภท XII ในเวลาต่อมาระบบการจัดประเภทกระจุกดาวแบบนี้ได้ชื่อเรียกว่า ระบบความหนาแน่นของแชปลีย์-ซอว์เยอร์ (Shapley–Sawyer Concentration Class) บางครั้งก็ใช้เลขอารบิก 1-12 แทนที่ประเภทแบบเลขโรมันดั้งเดิม[13]