Как уже говорилось, создатели фонетических (алфавитных) систем письма были «стихийными фонологами», поскольку учитывали не всякие звуковые различия, а лишь те, которые существенны для системы языка. Но в XIX в. с развитием науки появилась тенденция как можно точнее установить все характеристики звуков. Особенно к этому стремились диалектологи: диалекты обычно похожи друг на друга и на литературный язык, но имеют и различия, и надо строго зафиксировать их особенности. Еще больше расширились знания о многообразии звуков с появлением во второй половине того же века экспериментальной фонетики. Первые, еще очень несовершенные приборы показали, что звуков и звуковых различий гораздо больше, чем мы себе представляем. В это же время разрабатывались фонетические транскрипции, дававшие возможность единым способом фиксировать всё звуковое многообразие. Но языковая функция звуков в этом многообразии пропадала.
Выход в конце XIX в. предложил замечательный русский (и одновременно польский) ученый Бодуэн де Куртенэ. Он предложил разделить до того единую фонетику на две дисциплины, для которых в дальнейшем закрепились названия «фонетика» и «фонология». Первая из этих дисциплин изучает артикуляционные и акустические свойства звуков речи, фиксируя как можно более точно любые их различия, вторая же дисциплина, по мнению ученого, должна рассматривать «фонационные представления» в человеческой психике. Фонетика лишь косвенно связана с лингвистикой, а фонология — важная часть этой науки. Единица фонологии — фонема. Этот термин ввел Бодуэн де Куртенэ, определив фонемы как «единые, непреходящие представления звуков языка». То есть фонема — минимальная психическая единица языка: различия между фонемами осознаются говорящим, а чисто фонетические различия в произношении звуков — нет.
Следующий шаг в развитии фонологии был сделан в 1920-е гг. Николаем Феофановичем Яковлевым (1892–1974), Николаем Сергеевичем Трубецким (1890–1938) и уже упоминавшимся Якобсоном, окончательные формулировки были предложены Трубецким в его знаменитой книге «Основы фонологии», вышедшей посмертно (1939). Все трое учились в Московском университете и дружили со студенческих лет, но потом судьба их развела: Трубецкой и Якобсон эмигрировали, а Яковлев остался в СССР, однако их научные взгляды были близки. Эти ученые сохранили разграничение фонетики и фонологии и понятие фонемы. Однако они отказались от психического понимания фонемы, поскольку оно субъективно и не дает критериев для процедур выделения фонем. Ими (впервые Яковлевым в 1923 г.) было сформулировано понятие фонемы как смыслоразличительной единицы. Трубецкой писал: «Слова по необходимости состоят из комбинаций различительных элементов…. При этом, однако, допустимы не все мыслимые комбинации различительных элементов. Комбинации подчиняются определенным правилам, которые формулируются по-разному для каждого языка. Фонология должна исследовать, какие звуковые различия в данном языке связаны со смысловыми различиями, каковы соотношения различительных элементов… и по каким правилам они сочетаются друг с другом в словах». Он указывал, что «ни один звук не может рассматриваться просто как фонема. Поскольку каждый такой звук содержит, кроме прочих признаков, также и фонологически существенные признаки определенной фонемы, его можно рассматривать как реализацию этой фонемы. Фонемы реализуются в звуках речи». Наряду с главной — смыслоразличительной — функцией фонемы Трубецкой выделял еще две: одна из них выделяет вершину слова (в русском языке ударные гласные отличаются от безударных), другая указывает на границы слов (в русском языке на конце слова не противопоставлены звонкие и глухие согласные, различаемые в ряде других позиций).
Наряду с Пражской школой, в которую входили Трубецкой и Якобсон, большой вклад в развитие фонологии внесли и другие лингвистические школы, среди которых надо особо отметить две. Это Московская фонологическая школа, близкая по подходам к Пражской (В. Н. Сидоров, П. С. Кузнецов, А. А. Реформатский, Р. И. Аванесов), и дескриптивная лингвистика в США, наиболее детально разработавшая процедуры выделения и отождествления фонем (Л. Блумфилд, Б. Блок, Дж. Трейджер и др.). Расцвет обеих школ пришелся на 1930–1950-е гг.
При частных различиях школ и направлений многое в методике «классической» фонологии первой половины ХХ в. было общим. Прежде всего, фонологический анализ сводился к двум процедурам: сегментации — делению текста на фонемы, отграничению фонемы от сочетания фонем — и дистрибуционному анализу — объединению множества звуков в единую фонему. Термины «сегментация» и «дистрибуционный анализ» были свойственны дескриптивной лингвистике, но аналогичные процедуры были и в пражской, и в московской фонологии.