唐代天宝年间《元和姓纂》载牛姓为殷商后裔，原为子姓。“宋微子之后司寇牛父，子孙以王父字为氏。”此后历代姓氏书籍都以牛父为牛姓得姓始祖，为牛姓起源官方学说。除此之外，牛姓起源还有“午”字出头、因生赐姓、得姓牛黎、外族改姓以及原始社会图腾等说。

先秦时期牛姓人物除牛父外，文献记载还有楚国巢城守将牛臣，赵烈侯时期的贤士牛畜，赵武灵王时期带兵出征中山国的将领牛翦，以及秦国大儒牛缺。

东汉初年，牛邯任护羌校尉，又有牛崇为陇西主薄，牛姓由此成为陇西望族。三国时期因《玄石图》“牛继马后”谶语，曹魏后将军牛金为司马懿猜忌，在酒席上被其毒杀。司马懿本以为把牛金毒杀其子孙政权就无事了，没想到后来琅琊王司马觐的王妃夏侯氏与牛姓小吏私通而生后来东晋开国皇帝司马睿，应验了“牛继马后”谶语。

南北朝时期，后赵武帝石虎“以韦杜牛辛皇甫胡梁七姓衣冠华胄，不在戌后限。”公元384年，西州豪族牛犨等率五万余家推姚苌为盟主，建立后秦政权，牛犨被封为参军。在此期间，不少牛姓因官播迁，家族定居在上党一带。

宋代《古今姓氏书辨正》载牛金之子牛元定逃难到安定，后改姓寮氏。北周末年，工部尚书寮允复姓牛氏，其子牛弘深受隋文帝、隋炀帝父子隆爱，官吏部尚书、上大将军等职，进爵奇章郡公，史称“大雅君子”。唐贞观二年，牛弘次子牛方裕因参与弑杀隋炀帝，被流放到岭表。贞观七年唐太宗又下诏把这些弑君罪臣“其子孙并宜禁锢，勿令齿叙”，家族再次蒙难。天宝年间牛仙客出任宰相，牛弘八世孙牛僧孺在唐朝后期又担任宰相，安定牛氏再度迎来了辉煌时期。

隋唐年间牛姓除在上党地区聚居外，另有不少生活在政治中心洛阳、长安等地。唐末五代及宋元时期，牛姓除部分迁居到南方外，大部分仍在北方定居，其中尤以山西一带居多。此间牛姓以后梁名将牛存节和南宋抗金将领牛皋、抗元将领牛富最为著名。元明清时期，各地牛姓出现了不少名门望族，如山西襄陵元代牛光祖家族、河北献县明代进士牛鸾家族、河南汜水清代武状元牛凤山家族等等。

明清时期，由于战乱灾荒和移民政策等因素，不少牛姓家族被迫分迁到全国各地。如河南一带牛姓多传为明初洪洞“大槐树移民”，河北、山东北部牛姓多为永乐“枣强迁民”，以及东北地区大都为清代“闯关东”移民。

今北方牛姓基本都为打锅牛，名称有“打锅牛”、“破锅牛”等多种称谓。从明初山西迁到河南、河北、山东等地牛姓基本都为打锅牛情况分析，宋元时期打锅牛传说已经在山西广为流传。壶关沙窟村因以牛金为始祖，其流传的牛丞相打锅传说有可能与三国牛金罹难事件有关。除此以外，河南流传的“猛牛扑帝王”打锅传说讲某朝皇帝夜梦一猛牛“肋插双刀”或“牛生双尾”扑向自己，因此牛丞相被怀疑谋反，子孙被迫打锅逃离。“猛牛扑帝王”传说因与“朱”字有关，明显为唐代 “牛姓干唐祚”谶语的民间演绎，为牛姓最早的打锅传说。除牛丞相打锅传说外，另有三兄弟、四兄弟、八兄弟、十八兄弟等多种兄弟破锅传说。三兄弟打锅主要流传在山西南部、河北大部、山东中部、河南新乡等地，四兄弟打锅主要流传在西北地区、山东西北部，八兄弟打锅主要流传在河北邯郸、河南安阳一带从潞城、壶关迁出牛姓，十八兄弟打锅传说则主要流传在河南及其周边地区。

民国时期与新中国成立以来，牛姓在海内外及全国各地分布更为广泛，名人辈出。据2009年公安部身份证数据，当前牛姓在全国姓氏人口排名第98位，约200万人。