Зависимость молекулярной диффузии от молекулярной массы была обнаружена более ста лет назад в опытах Грэхема с пористыми материалами и проверена в экспериментах Кнудсена с малыми отверстиями и капиллярами. В основе законов молекулярной диффузии лежит кинетическая теория газов Максвелла.

Самые первые попытки разделения изотопов газовой диффузией через пористую трубку предпринял в 1913 г. Астон фактически ещё до открытия изотопов. В 1920 г. было достигнуто небольшое обогащение изотопов неона и хлора. В 1932 г. Герц на каскаде из 24 ступеней получил неон с обогащением 75% по 22Ne, что намного выше его природного содержания (10%). Вслед за тем каскад из 50 ступеней был применён для практически полного разделения изотопов неона и смеси водорода с дейтерием. На каскаде из 34 ступеней было произведено обогащение метана изотопом 13С до 16%.

Наиболее важное применение газовая диффузия нашла в связи с развитием работ по использованию ядерной энергии. Среди этих работ одно из ключевых мест занимали исследования проблемы получения урана, обогащенного его делящимся изотопом 235U. На раннем этапе разработки ядерного оружия в рамках Манхэттенского проекта США, Британского проекта Управления по трубным сплавам и Советского атомного проекта были изучены многие физические методы разделения изотопов урана, в том числе электромагнитный метод, газовая диффузия, термодиффузия, центрифугирование. Более детальное рассмотрение возможностей методов показало, что для того времени прежде всего могла быть реализована технически и в короткие сроки привести к созданию промышленного производства разработка метода газовой диффузии. Первые промышленные газодиффузионные заводы в 1945 г. в США и в 1949 г. в СССР. В последующие годы в США и СССР была создана мощная газодиффузионная разделительная промышленность, производившая обогащенный уран как для военных целей, так и для нужд ядерной энергетики. Газодиффузионные заводы были построены также в Великобритании, КНР и Франции.

В настоящее время газодиффузионные заводы работают в основном в США и Франции. В СССР с 1952 г. ведётся разработка технологии обо-гащения урана на газовых центрифугах, и уже в 1957 г. был пущен первый опытный завод.

Вслед за первым были построены новые заводы на Урале и в Сибири. Заводы с центрифугами появились в Красноярске, Томске и Ангарске. Газо-диффузионные машины постепенно были заменены газовыми центрифугами и в 1991 г. прекратили своё существование. Ныне обогащение урана в России осуществляется только на газовых центрифугах.