Der Grundstein für Machine Head wird 1991 gelegt, als Rob Flynn und sein Kumpel Adam Duce auf einem Festival beschließen, gemeinsam ihrer Liebe zum Thrash Metal zu frönen. Mit Flynn am Mikro und der Gitarre, Duce am Bass und verstärkt durch Logan Mader (Gitarre) sowie Drummer Tony Costanza, entstehen erste Songs aus gemeinsamen Jamsessions. Die sind dermaßen furios, dass Machine Head schnell Bekanntheit in der San Francisco Bay Area erlangt.

1994 erscheint das Debütalbum "Burn My Eyes", zuvor verlässt Costanza die Band und wird durch Chris Kontos ersetzt. Es folgen Chart-Erfolge und ausgedehnte Touren, über anderthalb Jahre sind Machine Head am Stück unterwegs. Es kommt erneut zu einem Line-up-Wechsel: Kontos steigt 1995 aus, Dave MacClain übernimmt seinen Posten.

Die Arbeiten am Nachfolger zu "Burn My Eyes" verzögern sich aufgrund gestohlenen Equipments, verschwundener Aufnahmen und eines Autounfalls MacClains. Im März 1997 ist es dann soweit und "The More Things Change..." steht in den Regalen. Die musikalische Karriere von Machine Head erfährt dadurch noch weiteren Aufschwung, allerdings gibt es bandintern weiterhin Probleme: Mader ist nicht mehr dabei, Ahrue Luster springt für ihn ein.

Das nächste Album, "The Burning Red", zeigt eine Band, die sich weiterentwickelt hat. Flynn verarbeitet persönliche Themen, außerdem wird mit Elementen aus dem Nu Metal experimentiert – was jedoch nicht allen Fans gefällt. Dem Erfolg von Machine Head tut das aber keinen Abbruch. Der Nachfolger "Supercharger" hingegen wird das Album der Band, das sich am schlechtesten verkauft.

Luster ist mit der künstlerischen Entwicklung nicht einverstanden und wird durch Phil Demmel ersetzt. Mit ihm spielen sie auch große Shows auf dem With Full Force und in der Londoner Brixton Academy. Aufnahmen davon werden auf dem Live-Album "Hellalive" veröffentlicht.

Nach einem turbulenten Jahr 2002, beginnen die Arbeiten an „Through The Ashes Of Empires“ (2003), wobei der Sound der Band sich wieder verändert. Die Songs werden länger und ausgefeilter. Diese Tendenz erreicht 2006 mit dem progressiven „The Blackening“ seinen vorläufigen Höhepunkt.

Während einer Support-Tour für Slayer im Jahr 2008 stehen Machine Head kurz vor dem Aus: Flynn verlässt die Band kurzzeitig nach einem Streit mit Duce. Die beiden raufen sich zusammen und drei Jahre später erscheint „Unto The Locust“ und bekräftigt den Erfolg aufs Neue.

2013 steigt Duce endgültig aus und wird nach einer Art Online-Casting durch Jared MacEachern ersetzt. 2014 stehen die Veröffentlichung von „Bloodstone & Diamonds“ und einige Live-Termine an.