thumb|Arkikäyttöön sopiva niin sanottu hollantilainen polkupyörä, jossa on hyvin suojatut ketju ja takaratas, sekä tukeva seisontajalas. Polkupyörä on lihasvoimalla toimiva ajoneuvo, jonka rakenne perustuu yleensä kahteen peräkkäiseen pyörään, jotka yhdistää runko. Polkupyörää liikutetaan pyörittämällä polkimia jaloilla. Polkimista voima siirtyy ketjun välityksellä takapyörään. Voimansiirrossa on käytetty myös nivelakselia ja polkimet voidaan asentaa suoraan pyörän akselille. Kuljettaja joko istuu polkupyörän satulalla, istuimella tai seisoo polkimilla. Polkupyörää ohjataan kääntämällä ohjaustankoa sekä kallistamalla koko pyörää. On olemassa myös yksi- ja kolmipyöräisiä, sekä käsikammista liikevoimansa saavia polkupyöriä.
Polkupyörän hyötysuhde on hyvä koska kaikki käytettävä voima ohjataan renkaan pyörittämiseen ja liikekitka on pieni. Pyöräily kuluttaa matkaan nähden huomattavasti vähemmän energiaa kuin esimerkiksi juokseminen tai kävely. Kilometrin matkalla vauhdilla 16 km/h pyöräilevä kuluttaa 0,9 kilojoulea energiaa jokaista kehon kilogrammaa kohti, kun vastaavasti juoksija kuluttaa 4,0 kilojoulea.Tiede 4/2007, s. 13 Artikkelin verkkoversio
Vuonna 1995 polkupyöriä tuotettiin 107 miljoonaa kappaletta. Samana vuonna autoja valmistettiin noin 37 miljoonaa kappaletta. Vuonna 2001 tehdyn arvion mukaan maailmassa on 1,4 miljardia pyörää ja 340 miljoonaa autoa.
Kuntopyörä on kuntolaite, jolla voidaan paikallaan pysyen harjoittaa liikunnallisesti polkupyöräilyä vastaavaa kuntoilua.
Historia thumb|Draisiini noin vuodelta 1820. thumb|Isopyörä eli high wheel eli penny-farthing.
Kirjallisuudessa on ristiriitaisia tietoja siitä, mistä polkupyörä on saanut alkunsa. Varsinaisesti polkupyörän historian katsotaan alkavan 1800-luvun alussa.
Potkupyörä
Potkupyörä oli polkupyörän esimuoto, jota ei poljettu, vaan eteenpäin päästiin ottamalla maasta vauhtia. Tällaisia potkulautoja, joita kutsuttiin nimellä Velocifere oli 1800-luvulla. Niitä oli käytössä paljon Pariisissa. Draisine muistutti Velociferea, mutta siinä oli kääntyvä etupyörä. Sen keksi saksalainen vapaaherra Karl von Drais vuonna 1816 ja patentoi sen seuraavana vuonna. Keksijänsä mukaan nimetyn Draisinen vienti ulottui Pohjois-Amerikkaan astiADFC (Allgemeiner Deutscher Fahrrad-club) Mannheim, Karl Drais. Viitattu 7.4.2008.Keposti Potkupostia Ketkupolkka ry:n jäsenille, jäsenkirje numero 4 Marraskuu 2000 Viitattu 6.4.2008.. Tästä pyörämallista puuttuivat polkimet, ja liikkeelle päästiin potkimalla maasta vauhtia. Potkupyörä ja sen lukuisat jäljitelmät 1800-luvulla saivatkin nopeasti englantilaisilta pilkkanimen "keikarinhevonen" (engl. dandy-horse) juuri tämän epäkäytännöllisen liikkumatavan vuoksi.
Velosipedi
Joidenkin väitteiden mukaan takapyörää vivuilla käyttävät polkimet keksi polkupyörään jo vuonna 1839 skotlantilainen seppä Kirkpatrick MacMillan. Vuonna 1861 ranskalainen vaunuseppä Pierre Michaux asensi kooltaan takapyörää suuremman etupyörän napaan siihen kiinteästi liittyvät poljinkammet ja laitteen patentoi hänen palveluksessaan toiminut Pierre Lallemet vuonna 1866 Yhdysvalloissa.Mikko Kylliäinen, Juoksukoneesta ketjuvetoiseen polkupyörään kirjassa Kimmo Antila (toim.), Velomania!, Pyörällä halki aikojen, Vapriikki 2007 s. 18 Niiden etupyörän halkaisija saattoi olla jopa 150 cm ja takapyörän noin 50 cm.
Polkupyörälle, jossa ei ole ketjuja ja jonka polkimet on yhdistetty etupyörään vipuvarsin, vakiintui myöhemmin termi velosipedi. Venäjän kielessä kuitenkin sana velosiped tarkoittaa edelleen kaikkia polkupyöriä, myös nykyaikaisia. Venäläisen sepän Efim Artamonovin väitetään rakentaneen myös polkimellisen polkupyörän jo vuonna 1801, mutta väitteen tueksi ei ole todisteita.
Englantilaiset nimitykset "ordinary" sekä "penny-farthing" annettiin velosipedistä parannetuille malleille, joissa etupyörä oli vielä huomattavasti suurempi kuin takapyörä. Tähän hullunkuriselta näyttävään pyörämalliin päädyttiin, koska polkupyörän saattoi saada kulkemaan nopeammin, kun iso pyörä kulkee yhdellä kampikierroksella pitemmän matkan kuin pieni. Nopeuden havaittiin olevan hyödyksi etenkin kilpailuissa. thumb|Naisten turvapyörä vuodelta 1889.
Ennen 1880-lukua polkupyörää kutsuttiin Suomessa velosipediksi, velocipediksi, pikarattaaksi, polkurattaaksi tai pikakulkuriksi. Vaikka sanaa käytettiin jo ennen vuotta 1886, valokuvaaja, kirjailija, kääntäjä ja toimittaja I.K. Inha mainitaan yleensä polkupyörä-sanan keksijänä. Inha matkusti erikoisvalmisteisella polkupyörällä kuvausmatkoillaan ja välitti englantilaisia polkupyöriä myytäväksi 1880-luvulla.Mikko Kylliäinen, Juoksukoneesta ketjuvetoiseen polkupyörään kirjassa Kimmo Antila (toim.), Velomania!, Pyörällä halki aikojen, Vapriikki 2007 s. 54, 55. Ensimmäinen havainto polkupyörästä Suomessa on vuodelta 1869, jonka ajajana toimi Lorenzo Runeberg.
Turvapyörä
Vaikka ordinary oli erittäin nopea huomattiin pian, että se oli myös hyvin epävakaa. Sitä oli hankala pitää pystyssä ja se aiheutti paljon loukkaantumisia ja jopa kuolonkolareita. Vuonna 1885 englantilainen polkupyöränvalmistaja John Kemp Starley toi markkinoille uudenlaisen polkupyörän Rover-nimellä. Alkuperäisessä versiossa etupyörä oli vain hieman suurempi kuin takapyörä ja sittemmin molemmat pyörät vakioituivat samankokoisiksi. Roverissa oli ketjuveto ja poljinkoneisto oli sijoitettu itse runkoon, ja voimansiirto takapyörään, kun aikaisemmissa malleissa voimansiirto oli pelkän akselivetoisen etupyörän varassa. Kun ohjaava pyörä ja vetävä pyörä oli erotettu, tasapainonhallinta oli helpompaa. Koska ajajan jalat ulottuivat maahan, liikkeelle lähtö ja pysähtyminen oli myös turvallisempaa, minkä vuoksi tätä pyörätyyppiä alettiin kutsua turvapolkupyöräksi (). Välityksiä voitiin myös muuttaa erikokoisilla vaihdettavilla hammasrattailla. Kymmenessä vuodessa ilmatäytteisen renkaan keksimisen avustamana turvapolkupyörästä tuli vakiomalli ympäri maailmaa.
John Kemp Starley oli valmistanut polkupyöriä yhdessä setänsä James Starleyn kanssa. John Starley oli käyttänyt jo aiemmin tuotenimeä Rover valmistamissaan pyörissä ja muutti 1896 yhtiönsä nimen muotoon The Rover Cycle Company Ltd. Yhtiö aloitti jo 1904 myös Rover-autojen tuotannon.
Vuonna 1888 irlantilainen eläinlääkäri John Boyd Dunlop keksi ilmatäytteisen renkaan. Myöhemmin tästä kehitettiin sisä- ja ulkorengas. Vuonna 1896 Hodkinson keksi ketjuvaihteen.
Polkupyöriin saatettiin asentaa myös apumoottoreita, joista kehittyi vähitellen kokonaan itsenäinen ajoneuvotyyppi, moottoripolkupyörä.
Nykyaikainen polkupyörä thumb|Pyörään saa myös paljon varusteita. Kuvassa retkipyörä, jossa on laukkuja. Polkupyörä kehitettiin melko valmiiksi välineeksi jo 1920- ja 1930-luvuilla. Tämän jälkeen varsinaisia suuria teknisiä läpimurtoja ei tapahtunut, vaan polkupyörän kehitys jäi odottamaan uusia teknisiä ja metallurgisia keksintöjä, jotka liittyivät materiaaleihin, jousitukseen, vaihteisiin ja jarruihin.
Polkupyörän keskeiset osat, runko, pyörät ja vanteet sekä vapaanavat ja keskiöt pysyivät suhteellisen muuttumattomina aina 1970-luvulle asti.
Nojapyörän kehitys thumb|Nojapyöriä 1920-luvulta.
Nojapyöriä alettiin kehittää jo ennen kuin niin sanottu timanttirunkoinen polkupyörä tuli vallitsevaksi 1890-luvulla.Markku Lahtinen, Nojapyörä, polkuauto ja kinneri kirjassa Kimmo Antila (toim.), Velomania!, Pyörällä halki aikojen, Vapriikki 2007 s. 204
Kaksipyöräisen nojapyörän rakensi vuonna 1932 ranskalainen Charles Mochet. Sillä ajanut kokenut kilpapyöräilijä Francis Fauré alkoi murskata ennätyksiä erilaisissa polkupyöräkilpailuissa. Vuonna 1934 Kansainvälinen pyöräilyunioni UCI muutti sääntöjä niin, että polkupyörän keskiön piti sijaita pystysuunnassa satulan nokan takapuolella. Tämä esti nojapyörien kilpailemisen teknisesti huonompia vastustajiaan vastaan ja oli tuntuva takaisku polkupyörän kehitykselle.Markku Lahtinen, Nojapyörä, polkuauto ja kinneri kirjassa Kimmo Antila (toim.), Velomania!, Pyörällä halki aikojen, Vapriikki 2007 s. 208–209
Käytännössä nojapyörät unohdettiin aina näihin päiviin asti. Ainoa toisen maailmansodan jälkeen nojapyörää kehittänyt oli leipzigilainen insinööri Paul Rinkowski, joka rakensi useita nojapyöriä hyvin vaatimattomista materiaaleista.Kuvia Paul Rinkowskin suunnittelemista nojapyöristä. Hänen keksintöjään ei kuitenkaan hyödynnetty DDR:ssä. Teollinen nojapyörien valmistus aloitettiin vuonna 1979 Yhdysvalloissa ja 1980-luvulla nojapyörien teollinen tuotanto käynnistyi useassa maassa.Markku Lahtinen, Nojapyörä, polkuauto ja kinneri kirjassa Kimmo Antila (toim.), Velomania!, Pyörällä halki aikojen, Vapriikki 2007 s. 227, 228, 231
Esimerkiksi Hollannissa nojapyörät ovat yhä suositumpia ja myös katetut nojapyörät valtaavat alaa. Niiden etuna on suoja säältä, etenkin sadetta vastaan. Nojapyöriä esittelee Suomessa vuonna 1999 perustettu Kevytkulkuneuvojen ystävät r.y.Markku Lahtinen, Nojapyörä, polkuauto ja kinneri kirjassa Kimmo Antila (toim.), Velomania!, Pyörällä halki aikojen, Vapriikki 2007 s. 232, 236
Maastopyörä thumb|Paksurenkainen Schwinn oli nykyaikaisen maastopyörän esimalli. Kuvassa tuleva astronautti William C. McCool ajaa Schwinnillä vuonna 1967. Maasto-olosuhteisiin sopiva polkupyörämalli syntyi 1970-luvun alussa, kun joukko nuoria sanfranciscolaisia huomasi, kuinka hauskaa oli ajaa alas pyörällä 748 metrin korkuisen Mount Tamalpaisin rinteitä Marinin piirikunnassa Kaliforniassa. Nuoret ajoivat vanhoilla, raskaiksi ja kestäväksi tehdyillä paksurenkaisilla Schwinn Excelsior -pyörillä, jotka oli tehty aikoinaan nuorille moottoripyörien korvikkeiksi. Nämä pyörät saattoivat painaa jopa 27 kiloa ja usein niissä oli vain yksi vaihde ja jalkajarru, mutta sen ei koettu olevan este, sillä näillä pyörillä ajettiin pääasiassa alamäkeen ja ylös päästiin kuorma-auton kyydillä.
Lajin aktiiviset harrastajat, kuten Joe Breeze, Gary Fisher, Charlie Cunningham, Keith Bontrager ja Tom Ritchey alkoivat kehittää 1970-luvulla monipuolisemmin maastoon sopivia, vieläkin kestävämpiä pyörämalleja, joilla pystyttiin ajamaan paremmin varhaisia maastopyöräkilpailuja Kalifornian kukkuloilla.Mountain Biking, History of Mountain Biking. Viitattu 7.4.2008 Maastopyöräilystä tuli suosittu laji 1980-luvulla ja Atlantan olympialaisissa vuonna 1996 siitä tuli olympialaji.ABC of Mountain Biking, Mountain Biking History. Viitattu 7.4.2007.
Ominaisuuksien kehitys Polkupyörälle on eri aikoina haluttu kehittää ominaisuuksia, jotka tekisivät siitä entistä käytännöllisemmän, turvallisemman ja paremman kulkuneuvon. Seuraavassa luettelo tärkeimmistä eri aikakausina kehitetyistä teknisistä ominaisuuksista.
1870 – James Starley – jännitetyt ja tangentiaalisesti puolatut pinnat, jollaisia käytetään edelleen moottori- ja polkupyörissä 1885 – John Starley – ketjuveto (turvapyörä) 1888 – John Boyd Dunlop – ilmarengas 1895 – Joseph Meunier – vapaanapa 1927 – Tullio Campagnolo – pikalinkku 1933 – Tullio Campagnolo – suistava takavaihtaja 1973 – Gary Fisher – vaihteiden peukalovaihtajat ja satulan pikalinkku 1977 – Joe Breeze – ensimmäinen maastoon tarkoitettu polkupyörän runko
Sähköavusteinen polkupyörä
Suomessa ajoneuvolain 19 pykälän mukaan polkupyörällä tarkoitetaan yhden tai useamman henkilön tai tavaran kuljettamiseen valmistettua, vähintään kaksipyöräistä, polkimin tai käsikammin varustettua moottoritonta ajoneuvoa. Polkupyöräksi katsotaan myös sellainen enintään 250 W:n tehoisella sähkömoottorilla varustettu ajoneuvo, jonka moottori toimii vain poljettaessa ja kytkeytyy toiminnasta viimeistään nopeuden saavuttaessa 25 kilometriä tunnissa.