מאצ'ו פיצ'ו נבנתה על ידי אימפריית האינקה כאשר זו הייתה בשיאה, בערך בשנת 1450. העיר נבנתה על הר שגובהו 2,430 מטרים, וננטשה כמאה שנים לאחר מכן, כאשר האימפריה קרסה בעקבות הכיבוש הספרדי. אף שמאצ'ו פיצ'ו נמצאת במרחק של כ-70 ק"מ בלבד מקוסקו, עיר הבירה של האינקה ובניגוד לערים אחרות של האינקה, היא לא נהרסה על ידי הספרדים. במהלך השנים גדל הג'ונגל שמסביב לעיר והסתיר אותה, ומעטים ידעו על קיומה.

ב-1911 הגיעה למאצ'ו פיצ'ו משלחת מחקר שבראשה עמד היירם בינגהאם השלישי, חוקר מטעם אוניברסיטת ייל. בינגהאם חיפש באותה תקופה את העיר ויטקוס, שהייתה אחת מנקודות המפלט וההתנגדות האחרונות לכיבוש הספרדי של פרו. מספר תושבים מקומיים, שהכירו היטב את האתר, הובילו אותו לשם. כשהגיע למאצ'ו פיצ'ו, בינגהאם טעה וחשב שמדובר בעיר וילקבמבה, שהייתה מעוזם האחרון של בני האינקה ושמיקומה נשכח לאחר הכיבוש הספרדי ב-1572. מסיבה זו כונתה מאצ'ו פיצ'ו בתואר "העיר האבודה". בינגהאם ואחרים שיערו שהמצודה הייתה מקום הלידה המסורתי לאנשי האינקה והמרכז הרוחני של "בתולות השמש", בעוד שאחרים שיערו שהמקום היה מקום נופש או התבודדות עבור אצולת האינקה.

לאחר שהגיע לשם החל בינגהאם בסדרת מחקרים ארכאולוגיים והשלים סקירה מדעית מקיפה של האזור. בינגהאם טבע את השם "העיר האבודה של האינקה", שהיה הכותרת של ספרו הראשון. הוא מעולם לא נתן קרדיט למקומיים שהובילו אותו למאצ'ו פיצ'ו, ורשם בהקדמה לספרו שהוא הסתמך על "שמועה מקומית". לאחר 1911 ערך בינגהאם מספר מחקרים נוספים באזור, ואף ביצע חפירות ארכאולוגיות במהלך 1915. בעקבות זאת הוא כתב מספר ספרים ומאמרים נוספים על מאצ'ו פיצ'ו שהביאו להפניית תשומת לב עולמית אל מאצ'ו פיצ'ו. כאשר שב בינגהאם לאוניברסיטת ייל הוא לקח איתו אוסף של כ-5,000 פריטים ארכאולוגיים אשר הבעלות עליהם נתונה במחלוקת בין האוניברסיטה וממשלת פרו (על המחלוקת ראו בהמשך).

סימון וייסברד, חוקרת ותיקה של קוסקו, טוענת שאנריקה פאלמה, גאבינו סאנצ'ס ואגוסטין ליסאראגה חרטו את שמותיהם על אחד הסלעים במאצ'ו פיצ'ו ב-14 ביולי 1901, ולפיכך גילו הם את המקום מחדש, ולא בינגהאם. כמו כן, ישנן ראיות שמהנדס בשם פרנקלין הצליח להבחין במאצ'ו פיצ'ו ב-1904, לאחר שערך תצפית מאחד ההרים שבאזור. פרנקלין סיפר על תגליתו לתומס פיין, שהיה מיסיונר בריטי שחי באזור. ב-1906 העפילו פיין וסטיוארט א. מקניירן (1956–1867), מיסיונר נוסף, במעלה ההר והגיעו למאצ'ו פיצ'ו. חמש שנים לאחר מכן, ב-1911, שוחח פיין עם בינגהאם וסיפק לו מידע שסייע לו להגיע למאצ'ו פיצ'ו.

אף על פי שבינגהאם לא היה הראשון ש"גילה" מחדש את מאצ'ו פיצ'ו, הוא זכה להיחשב לראשון הואיל והוא היה מי שגרם למיקוד מחדש של תשומת הלב העולמית באתר.

ב-1913 זכה האתר לפרסום משמעותי לאחר שהחברה הלאומית לגאוגרפיה הקדישה לו את כל גיליון אפריל של ביטאונה.

ב-7 ביולי 2007 נבחרה מאצ'ו פיצ'ו כאחד משבעת פלאי תבל החדשים.