數字孿生迅速成為熱潮，源於數位化設計、虛擬仿真和工業網際網路（工業物聯網）等關鍵使能技術的蓬勃發展與交叉融合。
數位化設計技術從早期的二維設計發展到三維建模，從三維線框造型進化到三維實體造型、特徵造型，產生了諸如直接建模、同步建模、混合建模等技術，以及面向建築與施工行業的BIM技術（建築信息模型）。
三維建模技術不光用於產品設計階段，並且可以實現三維工藝設計。產品的三維模型中不僅包括幾何信息、裝配關係，還包括PMI（產品製造信息，包括尺寸、公差、形位公差、粗糙度和材料規格等信息）等製造信息，已經可以實現MBD（基於模型的產品定義）。為了支持產品三維模型的快速瀏覽，可以從包含三維工藝特徵的完整三維特徵模型中，抽取出僅包括幾何信息的輕量化三維模型。
基於三維造型和三維顯示技術，虛擬實境技術（VR）取得了蓬勃發展，廣泛用於汽車、飛機、工廠等複雜對象的虛擬體驗，包括沉浸式虛擬實境系統Cave，用於產品展示和市場推廣的三維渲染技術，以及基於視景仿真的模擬駕駛技術等。近年來又發展起來增強現實技術(AR)，其特點是可以將實物模型和數位化模型融合在一個可視化環境之中，從而實現傳感器數據的可視化，還可以進行產品操作、裝拆及維修過程的三維可視化，實現產品操作培訓、維修維護等應用。
虛擬仿真技術從早期的有限元分析發展到對流場、熱場、電磁場等多個物理場的仿真，多領域物理建模，對振動、碰撞、噪聲、爆炸等各種物理現象的仿真，對產品的運動仿真，及材料力學、彈性力學和動力學仿真，對產品長期使用的疲勞仿真，對整個產品的系統仿真，以及針對注塑、鑄造、焊接、折彎和衝壓等各種加工工藝的仿真，以及裝配仿真，幫助產品實現整體性能最優的多學科仿真與優化，針對數控加工和工業機器人的運動仿真（其中數控仿真又可以分為僅仿真刀具軌跡，以及仿真整個工件、刀具和數控裝備的運動），還有面向工廠的設備布局、產線、物流和人因工程仿真。如果從仿真的對象來區分，虛擬仿真技術可以分為產品性能仿真、製造工藝仿真和數位化工廠仿真。
在數位化設計技術和虛擬仿真技術發展和集成應用的過程中，產生了Digital Mockup（DMU，數字原型）、Digital Prototyping（數字樣機）、Virtual Prototype（虛擬樣機）、Functional Virtual Prototype（全功能虛擬樣機）等技術，主要是用於實現複雜產品的運動仿真、裝配仿真和性能仿真。通過對數字樣機進行虛擬試驗，可以減少物理樣機和物理試驗的數量，從而降低產品研發和試製成本，提高研發效率。
另一方面，隨著傳感器技術和無線通信技術的發展，二十一世紀以來，物聯網應用越來越廣。除在消費領域應用之外，為了支持高價值工業設備的運行監控和維修維護，工業物聯網（IIOT）開始受到業界廣泛關注。IIOT採集的數據類型和採集頻率比普通的物聯網應用高得多，而應用的數學模型和分析方法也比普通的物聯網應用複雜得多。
從數字孿生技術的發展背景可以看出，數字孿生模型是相對於其物理模型而言的。可以先建立數字孿生模型，應用數字孿生模型來進行虛擬試驗，但最終還是要建立物理模型，通過對數字孿生的分析，來優化物理模型的運行。除了上述技術，工業大數據、人工智慧等技術也是數字孿生的關鍵使能技術。
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