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Le groupe commence par s'appeler The Soul Giants, la formation initiale est constituée par Jimmy Carl Black (batteur), Roy Estrada (bassiste), Davy Coronado (saxophoniste), Ray Hunt (guitarist) , et Ray Collins (chanteur). Les biographes racontent qu'une querelle entre Collins et Hunt provoqua le départ du guitariste qui est remplacé par Frank Zappa. Le groupe change de nom et devient The Mothers le 10 mai 1964.
Plus tard en 1965, le producteur Tom Wilson les remarque dans un bar et leur fait signer leur premier contrat. Rapidement leur maison de disques Verve insiste pour qu'ils changent de nom, et adopte celui de The Mothers of Invention.
La mévente du premier album Freak Out! (1966) leur vaut une coupe budgétaire de leur maison de disques : indiffèrent à cela, le groupe produira trois albums sous la direction de Frank Zappa : Absolutely Free (1967), We're Only In It for the Money et Cruising With Ruben & the Jets (1968).
En 1969, Zappa dissout la formation originale. Roy Estrada quitte le groupe à la suite d'affaires de drogues. Ce depart sera suivi de la création par Frank Zappa de la nouvelle formation des Mothers of Invention incluant Ian Underwood (multi-instrumentiste), Ruth Underwood (vibrato, marimba), Aynsley Dunbar (batteur) et Don Preston (claviers).
1970 voit l'arrivée de George Duke sur l'album 200 Motels; puis de Jim Pons (basse), Bob Harris (chant et claviers), Howard Kaylan et Mark Volman (chanteurs connus sous le nom de Flo & Eddie), et Jeff Simmons (basse, guitare rythmique).
En 1971, Zappa dissout à nouveau le groupe suite à un incident survenu lors d'un concert à Londres : il est agressé par un spectateur en colère et immobilisé pendant plusieurs mois. Le groupe se reforme avec une structure variable jusqu'en 1975 pour l'album One Size Fits All, après quoi Zappa évolue dans une carrière solo, engageant de nouveaux musiciens à chaque disque.
En 1993, Jimmy Carl Black, Bunk Gardner et Don Preston se réunissent sous l'appellation Grandmothers et enregistrent trois albums.
