虽然中国传说中的历史从三皇五帝开始，然而三皇五帝开始的时间虽早，但是其相关文献出现的时间却比商周的帝王要晚，在商代甲骨文、西周的金文中都找不到三皇五帝的记载，三皇五帝的说法最早见于汉代成书的《周礼》一书，其《周官·春官·外史》章曰：“掌三皇五帝书”，但并未指明三皇五帝是谁。而在三皇五帝中，排在后面的五帝来源说法的出现时间还早于前面的三皇。
三皇五帝五帝最早是五位天神，早在周朝时，人们就以祭祀昊天上帝和五方上帝。其中，昊天上帝为自然上帝，即苍天；五方上帝则在东、南、西、北、中五方辅佐昊天上帝，又称五行帝，分别配五行五色，金木水火土、白青玄赤黄，白帝金德、青帝木德、玄帝水德、赤帝火德、黄帝土德，五帝下有五行神兽，分为东方木之青龙、西方金之白虎、南方火之朱雀、北方水之玄武、中央土之黄龙。后来司马迁著作《史记五帝本纪》将黄帝、颛顼、尧、舜列为人间五帝，成为现在五帝最常见的说法。
三皇的分名最早见于《史记秦始皇本纪》中李斯等人奏议：“古有天皇，有地皇，有泰皇，泰皇最贵。”后来泰皇多改称为人皇，《史记三家索隐》：按：“天皇，地皇之下即云泰皇，当人皇也。”《五行大义》则载：“天皇太帝曜魄宝，地皇为天一，人皇为太一。”在这里三皇与五方上帝一样是三位天神。
对于人间三皇是谁，西汉伏生学派的《尚书大传》中主张三皇应为燧人、伏羲、神农。其中三皇之首的燧人氏，是传说中钻木取火的发明者，在《韩非子五蠹》中详细记载了他在发明巢居的有巢氏之后称王天下的事迹：“上古之世，人民少而禽兽众，人民不胜禽兽虫蛇。有圣人作，构木为巢，以避群害，而民说之，使王天下，号曰有巢氏。民食蚌蛤，腥臊恶臭而伤害腹胃，民多疾病。有圣人作，钻燧取火以化腥臊，而民说之，使王天下，号之曰燧人氏。”
燧人氏燧人氏之后才是伏羲氏，伏羲氏又称庖牺氏，《史记补三皇本纪》载：“庖牺氏（伏羲），风姓，代燧人氏继天而王，母曰华胥，履大人迹于雷泽，而生庖牺于成纪（甘肃天水成纪）。蛇身人首，有圣德。仰则观象于天，俯则观法于地，旁观鸟兽之文与地之宜，近取诸身，远取诸物，始画八卦，以通神明之德，以类万物之情，造书契以代结绳之政。于是始制嫁娶，以俪皮为礼。结网罟以教佃渔，故曰宓牺氏；养牺牲以庖厨，故曰庖牺。有龙瑞，以龙纪官，号曰龙师。作三十五弦之瑟。”
伏羲氏《尸子君治篇》载：“燧人氏之世，天下多水，故教民以渔：宓羲之世，天下多兽，故教以猎。”等到“伏羲氏没，神农氏作”，因“古之人民皆食禽兽肉，至于神农，人民众多，禽兽不足，于是神农因天之时，分地之利，制耒，教民农作，故谓之神农也”。（《白虎通义》）燧人、伏羲、神农也成为三皇最早的人选。
但三皇人选到了东汉班固《白虎通义》中又变成“三皇者，何谓也？谓伏羲、神农、燧人也。或曰伏羲、神农、祝融也。”在这里三皇的说法又多出一个祝融氏，祝融是传说中的火神，和水神共工对应，在宋代刘恕《通鉴外记》则将“伏羲、神农、共工”列为三皇。祝融与共工两人水火不容，据《史记补三皇本记》载：“诸侯有共工氏，任智刑以强霸而不王；以水乘木，乃与祝融战。不胜而怒，乃头触不周山崩，天柱折，地维缺。”然后才有女娲补天的故事。
女娲补天在汉朝时期，三皇说法一直不统一，东汉《潜夫论五德志》道：“世传三皇五帝，多以为伏羲、神农为二皇；其一者或曰燧人，或曰祝融，或曰女娲。其是与非，未可知也。”其中伏羲在各种三皇说法中，是必不可少的，然而虽然伏羲在传说中的年代非常早，但有关伏羲的记载出现的时间却比黄帝、神农晚，伏羲的名字最早出现在战国中晚期的《庄子》一书中，而且伏羲的身份时而为人，时而为神，在古帝王序列中伏羲排序位置不定，如《庄子·胠箧》曰：“子独不知至德之世乎？昔者容成氏、大庭氏、伯皇氏、中央氏、栗陆氏、骊畜氏、轩辕氏、赫胥氏、尊卢氏、祝融氏、伏犠氏、神农氏。”在这里伏羲氏还排在轩辕氏黄帝之后。
其实不仅是伏羲，在先秦时期，有关上古帝王的序列的排名都大不相同，从伏羲到炎黄，乃至尧舜禹之间的排名都常有变化。为此，西汉末年的刘歆以《春秋》等儒家经典与五行相生的原则为依据，创作《世经》一文，为上古帝王排序，其内容记录在《汉书律历志第一下》中：
《春秋昭公十七年》：“子来朝，《传》曰昭子问少昊氏鸟名何故，对曰：‘吾祖也，我知之矣。昔者，黄帝氏以云纪，故为云师而云名；炎帝氏以火纪，故为火师而火名；共工氏以水纪，故为水师而水名；太昊氏以龙纪，故为龙师而龙名。我高祖少吴挚之立也，凤鸟适至，故纪于鸟，为鸟师而鸟名。’言郯子据少昊受黄帝，黄帝受炎帝，炎帝受共工，共工受太昊，故先言黄帝，上及太昊。稽之于《易》炮（庖）牺（伏羲）、神农、黄帝相继之世可知。”
太昊帝《易》曰：炮（庖）牺氏之王天下也。”言炮（庖）牺继天而王，为百王先，首德始于木，故为帝太昊。作罔（网）罟以田（畋）渔，取牺牲，故天下号曰炮(庖)牺氏。《祭典》曰：“共工氏伯（霸）九域。”言虽有水德，在火木之间，非其序也。任知刑以强，故伯（霸）而不王。秦以水德，在周、汉木火之间。周人迁其行序，故《易》不载。
炎帝《易》曰：“炮(庖)牺氏没，神农氏作。”言共工伯（霸）而不王，虽有水德，非其序也。以火承木，故为炎帝。教民耕农，故天下号曰神农氏。
黄帝《易》曰：“神农氏没，黄帝氏作。”火生土，故为土德。与炎帝之后战于阪泉，遂王天下。始垂衣裳，有轩冕之服，故天下号曰轩辕氏。
少昊帝《考德》曰：少昊曰清。清者，黄帝之子清阳也，是其子孙名挚立。土生金，故为金德，天下号曰金天氏。周迁其乐，故《易》不载，序于行。
颛顼帝《春秋外传》曰：少昊之衰，九黎乱德，颛顼受之，乃命重黎。苍林昌意之子也。金生水，故为水德。天下号曰高阳氏。周迁其乐，故《易》不载，序于行。
帝喾《春秋外传》曰：颛顼之所建，帝喾受之。清阳玄嚣之孙也。水生木，故为木德。天下号曰高辛氏。帝挚继之，不知世数。周迁其乐，故《易》不载。周人禘之。
唐帝《帝系》曰：帝喾四妃，陈丰生帝尧，封于唐。盖高辛氏衰，天下归之。木生火，故为火德，天下号曰陶唐氏。让天下于虞，使子硃处于丹渊为诸侯。即位七十载。
虞帝《帝系》曰：颛顼生穷蝉，五世而生叟，瞽叟生帝舜，处虞之，尧嬗以天下。火生土，故为土德。天下号曰有虞氏。让天下于禹，使子商均为诸侯。即位五十载。
伯禹《帝系》曰：颛顼五世而生鲧，鲧生禹，虞舜嬗以天下。土生金，故为金德。天下号曰夏后氏。继世十七王，四百三十二岁。
如此刘歆就排除了“容成氏、大庭氏、伯皇氏、中央氏、栗陆氏、骊畜氏、赫胥氏、尊卢氏、祝融氏、共工氏”等诸多传说中的上古首领，将上古帝王按五行相生的顺序排列为：太昊、神农、黄帝、少昊、颛顼、帝尧、虞帝、夏禹。而排名首位的太昊，刘歆则认定他就是伏羲氏。
然而在先秦的典籍[1]中并未将太昊与伏羲视为同一人。相比之下，太昊出现的记载时期更早，且多记载在《左传》等正史中，地位更高；伏羲则多出现在诸子百家之言，在古帝王序列中有时排在黄帝之前，有时又在禹、舜之后。在传说中太昊是东方祖神，地处华东，而伏羲出生地成纪却在西北甘肃天水，两地相差万里。刘歆是最早提出伏羲就是太昊的学者，他的著作《世经》根据五行相生的五德终始理论，按五行相生之序，首为木，帝王应从木德始，木属东方，太昊是东方之君，象征木德，所以是最早的上古帝王。而“炮牺（伏羲）氏继天而王，为百王先，首德始于木，故为帝太昊”。刘歆从其五德终始理论出发，将原本风马牛不相及的伏羲与太昊合为一体，作为古代帝王世系之先。其后班固在《汉书》中承袭其说，在《古今人表》中将上圣人从黄帝推至伏羲，后世史籍皆采此说，至此，伏羲开始登上官定正史。
太昊伏羲氏西晋的皇甫谧在刘歆《世经》的基础上，著作《帝王世纪》将三皇定为：“伏羲、神农、黄帝。”最早为伏羲氏，代燧人氏继天而王，凡女娲氏、有巢氏等十五世，皆袭伏羲制度，故虽为皇而不自为一代，其后神农氏立传八世，再到黄帝。皇甫谧认为三皇顺序代表三皇时代，而不是三个皇帝的顺序，女娲氏属于伏羲氏时代，所以不能列为三皇。由于黄帝被列为三皇，所以《帝王世纪》排列的五帝世系也与《史记》有所不同，原本五帝之首的黄帝变成了黄帝的儿子少昊，五帝的人选则变为：少昊帝青阳氏、颛顼帝高阳氏、喾帝高辛氏、尧帝陶唐氏、舜帝姚虞氏。
后来北周的孔颖达为《尚书》作序，认同《帝王世纪》的说法，写道：“伏羲、神农、黄帝之书，谓之《三坟》，言大道也，少昊、颛顼、高辛、唐（尧）、虞（舜）之书，谓之《五典》，常言道也。”因为《尚书》为官学正统，《尚书序》的说法也被后世史籍所采用。伏羲、神农、黄帝为三皇，少昊、颛顼、帝喾、尧、舜为五帝，成为后世的正统说法，包括《三字经》也从此说：“自羲农，至黄帝。号三皇，居上世。”伏羲、神农、黄帝成为中国最早的三位帝王。三皇五帝顺序确认了，原本先天祭祀的五方上帝的人选也确定下来，三皇和五帝中的前两位成为五方上帝人选，即东方青帝伏羲、南方赤帝神农、中央黄帝轩辕、西方白帝少昊、北方玄帝颛顼，人们相信其死后为神，辅佐昊天上帝统治五方。
五方上帝