Giai đoạn một được xem như bắt đầu từ đầu thế kỷ 20 với các đóng góp rất quan trọng của Fisher. Ông đã đề ra các nguyên tắc cơ bản khi tiến hành thí nghiệm như thực hiện có lặp, ngẫu nhiên hóa việc thực hiện các đơn vị thí nghiệm, chia khối. Trong quá trình khảo sát sự tương tác giữa các yếu tố, ông đề xuất phương pháp thiết kế kết hợp yếu tố (factorial design). Một trong những đóng góp quan trọng của ông, nếu không muốn nói là quan trọng nhất, là kỹ thuật phân tích phương sai.

Ngoài Fisher còn phải kể đến các đóng góp của Yates, Pearson, Box, Gosset. Trên nền tảng của kỹ thuật phương sai, người ta cũng bắt đầu kiểm định tính tương thích của phương trình hồi quy, cũng như khảo sát các vấn đề liên quan đến số trung bình.

Trong giai đoạn này, thiết kế thí nghiệm được ứng dụng chủ yếu trong lĩnh vực nông nghiệp nên có thể xem giai đoạn này là “giai đoạn nông nghiệp”. Trong quá trình khảo sát chuyên đề này, ta sẽ gặp một số thuật ngữ cho thấy ảnh hưởng của giai đoạn này, thí dụ như split-lot (phân lô), blocking (chia khối), nested (lồng nhau).

Khoảng đầu những năm 50 của thế kỷ 20, Box và Wilson có nhận xét rằng các thí nghiệm trong lĩnh vực công nghiệp có hai đặc điểm khác với các thí nghiệm trong nông nghiệp là:

• kết quả thí nghiệm (đáp ứng : response) có thể thu được rất nhanh, gần như là tức thời (imediacy);
• dựa vào việc phân tích kết quả của các thí nghiệm tiến hành trước (có thể chỉ là một số ít), ta có thể xây dựng các thí nghiệm tiếp theo (sequentiality). Như vậy quá trình thí nghiệm sẽ được định hướng tốt hơn và tiết kiệm hơn.

Từ đó Box và Wilson đề xuất phương pháp bề mặt đáp ứng (response surface methodology). Phương pháp này được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghiệp, nhất là công nghiệp hóa chất.

Giai đoạn này có thể xem là “giai đoạn công nghiệp”.

Vào những năm 70 của thế kỷ 20, khi thiết kế thí nghiệm bắt đầu thâm nhập đến quy mô nhà máy và mối quan tâm đến chất lượng gia tăng thì một vấn đề nảy sinh là số lượng yếu tố có ảnh hưởng đến đáp ứng là khá nhiều, trong đó có một số yếu tố không thể khống chế được. Việc thực hiện kết hợp các mức của các yếu tố theo những phương pháp trước đó là không khả thi do các hạn chế về nguồn lực, thời gian, ...

Từ đó Taguchi và một số nhà nghiên cứu khác đã đề xuất một số phương pháp khác nhằm làm kết quả thí nghiệm vẫn có hiệu lực (robust) khi có sự biến động của các yếu tố khó kiểm soát và khống chế, đồng thời làm giảm số đơn vị thí nghiệm. Trong số đó có thể kể đến các thí nghiệm kết hợp yếu tố không đầy đủ (fractional factorial design), khái niệm về trực giao (orthogonality). Các phương pháp này được giới doanh nghiệp áp dụng nhiều mặc dầu lúc ban đầu chúng bị chỉ trích là không có cơ sở khoa học chặt chẽ.

Giai đoạn này có thể xem là “giai đoạn công nghiệp có định hướng chất lượng”.

Vào những năm 90 của thể kỷ 20, sự phát triển mạnh mẽ của máy tính, cả phần cứng lẫn phần mềm, đã có những tác động lớn lao đến thiết kế thí nghiệm. Các máy tính mạnh hơn, nhanh hơn, các phần mềm ngày càng phát triển khiến các kỹ thuật xử lý số liệu tinh vi và phức tạp có thể được thực hiện dễ dàng hơn, nhanh hơn rất nhiều. Điều đó cho phép người ta ứng dụng các phương pháp thiết kế thí nghiệm cao cấp hơn như ứng dụng thống kê Bayes, mạng nơron (neuron network), logic mờ (fuzzy logic), giải thuật di truyến (genetic algorithm).

Có thể gọi giai đoạn này là “giai đoạn máy tính” hay “giai đoạn tin học”.