秦代及其以前，刀主要都是作为工具使用的。到了汉代，随着铁制兵器的兴起，环首刀的尺寸变的长大，刀才逐渐成为军队的制式兵器。环首刀可能起源于战国时期的环首青铜短刀，刀身包括刀刃、刀茎、刀环三部分，三者为一体打造而成。环首刀的刀刃狭长平直，刀背厚实，刀锋较钝。部分刀的刀刃微有内凹与早期的青铜短刀类似。刀茎的宽度与刀刃基本相当，多数环首刀没有装刀镡，但也有例外者，刀环位于刀茎末端，一般为扁圆形。
环首刀常见的装柄方法是用两根木条夹住刀茎，然后缠绕丝绳，如果为了节约成本，也可以不使用木条，直接缠绕丝绳。西汉早期的墓葬中，如临淄窝托村齐王墓、巨野红土山昌邑哀王墓、安徽阜阳双古堆汝阴侯墓等墓葬，均未发现环首刀出土。目前最早的环首刀发现于河北满城中山靖王刘胜墓。刘胜墓开启时，墓主刘胜身着金缕玉衣，左侧腰部顺置环首铁刀一把，该刀刀尖残断，总体残长62.7cm。
刘胜墓出土铁刀的刀茎被两片木条夹住，木片外缠有麻绳，麻绳外髹褐漆，漆层外缠丝绳。刀柄末端为环形刀首，直径6.4cm，环首上包缠有长条形金片。该刀出土时，刀刃外部套有残尾的刀鞘。刀鞘为两片木条挖槽合拢而成，鞘外缠麻，麻外缠丝绸，丝绸外髹朱漆。距鞘口11.5cm的位置有凸起的底座，底座上有金质带扣，用于安装佩带。
刘胜墓出土了不少武器，其中有九件铁剑，三件铜剑，从刀剑比例来看，当时环首刀还不是主流武器。晁错也说过，汉军步兵有四种标配装备，分别是长矛、长戟、弓弩、剑盾。可见在西汉早期，剑盾才是步兵的主要装备。从西汉早期到末期，环首刀的装备量一直在增大，相对而言，剑的装备量在逐渐减少。但直到西汉末年，剑盾的装备量还很大。连云港东海出土的竹简中记录有西汉末期东海郡武库的武备情况，按照竹简的记载，武库中储存了99901件长剑和99901件盾牌。
从出土文物来看，直到东汉末期，环首刀才基本代替长剑。长沙地区的东汉墓葬中出土过较多数量的环首刀，长度都在100cm以上。其中长沙金盆岭汉墓曾出土一把环首刀，长128.5cm，为这批环首刀中最长者。环首刀一般为铁制，铜制的很少，到了东汉时期，随着冶铁技术的提高，还出现了利用百炼钢技术制成的环首刀。
▲为国家博物馆所藏东汉钢刀，刀脊上有错金隶书铭文：“永初六年五月丙午造卅湅大刀吉羊宜子孙”
1974年，山东苍山东汉墓出土一把环首刀，通长111.5cm，刀身铭刻“永初六年五月丙午造卅冻大刀宜羊宜子孙”错金字样。在当时，“冻”字与“练”字可以互换，因此铭文中的卅冻就是三十练，这说明该刀在打造时，曾经反复折叠锻打三十次。经现代仪器测量，该刀刀身中的硅酸盐夹杂物大约有30层，可见确实经过相应次数的锻打。
无论是步兵还是骑兵，使用环首刀作战时都会携带盾牌，骑兵使用环首刀时，还会携带一条绳索，一端缠绕在手腕上，另一端系住刀环，目的在于避免环首刀在骑战时从手中脱落。
环首刀的出现对汉代的舆服制度造成了明显的影响。环首刀出现前，官员和贵族习惯随身佩带长剑；环首刀出现后，虽然朝廷仍然要求官员必须佩剑上朝，但在日常生活中，不少人开始改佩剑为佩刀。如李广战败后便是用刀自刎的，苏武被匈奴扣押时，也有过以刀自刺的经历，可见在西汉中前期，文武官员已经普遍佩刀了。到了东汉时期，佩刀已经成为制式礼仪用具，《后汉书·舆服志》中对王侯公卿和各级官僚的佩刀形制都做出了详细的规定。