早在19世紀人們了解到微生物致病的概念后，就想到多細胞生物體中應該存在這樣的分子，它們能夠識別微生物特有的分子，從而識別入侵的微生物。早在100多年前，人們就開始尋找這樣的分子。德國著名細菌學家科赫的弟子理查德菲佛(Richard Pfeiffe)創造了”內毒素“一詞來稱呼革蘭氏陰性細菌中能夠造成動物發熱和休克的一種成分。后來人們發現這種物質是大多數革蘭氏陰性細菌產生的脂多糖(LPS）。人們又發現，另外一些分子，如細菌脂肽、鞭毛蛋白、非甲基化DNA等，能夠激發宿主的保護性應答，但是如果這樣的應答持續過久或者強度過大，就會造成傷害。于是人們從邏輯上推定機體中必定存在這樣的分子的受體，它們可以向機體發出存在感染的警報。然而時隔多年人們卻沒有找到這樣的受體。
1980年，Nusslein-Volhard等在研究果蠅胚胎發育過程中發現有一個基因決定著果蠅的背腹側分化 [1] ，并于五年后利用突變的方式確認其中一個基因如果無法正常表達將會使幼蟲腹部的發育受到阻礙而展現出怪異的形態 [2] ，因此這個基因被命名為“Toll”，代表著驚人及異乎尋常的意思。1988年，Hashimoto等人發現Toll基因編碼一種跨膜蛋白質，并闡明了Toll蛋白的結構 [3] 。1991年，Gay等人發現，Toll蛋白在結構上與哺乳動物中一種天然免疫功能分子——白細胞介素1 受體（IL-1R）具有同源性：二者的細胞質部分相似 [4] 。這第一次提示了人們Toll可能和免疫有關。1994年，Nomura等人首先報道了人中的Toll樣受體 [5] 。然而當時Toll的免疫學功能沒有得到闡明，所以人們仍然認為Toll樣受體是和哺乳動物的發育有關的。不過，兩年之后的1996年，Jules A. Hoffmann和他的同事們發現Toll在果蠅對真菌感染的免疫中起著重要作用，從而確立了Toll的免疫學意義 [6] 。翌年，Charles Janeway和Ruslan Medzhitov闡明了一種Toll樣受體（后來被命名為TLR4）能夠激活與適應性免疫有關的基因 [7] 。Bruce A. Beutle隨后發現TLR4能夠探測LPS的存在 [8] 。后來他們又發現，如果使小鼠中的TLR4突變而喪失功能，小鼠不會對LPS起反應。
后來，科學家們用基因打靶的方式使其他各種TLR喪失功能進行了研究。結果人們認為，每種TLR可識別不同的一類分子。
自此，人們不但揭示了Toll樣受體在免疫學上的意義，也揭開了100多年前人們尋找的那個謎底。