Pierwowzorem twardego dysku jest pamięć bębnowa. Pierwsze dyski twarde takie, jak dzisiaj znamy, wyprodukowała w latach 70 XX w. firma IBM. Była to słynna seria o nazwie Winchester. Obecnie sam wynalazca nie produkuje już dysków - w 2002 roku zawarł porozumienie joint venture z firmą Hitachi, na mocy którego IBM prowadzi prace badawcze oraz sprzedaje rozwiązania (systemy dyskowe jak ESS - Enterprise Storage Systems), a Hitachi produkuje jednostki dyskowe, jak też i systemy dyskowe.
Pojemność dysków wynosi od 10 MB (współcześnie dyski kilkusetmegabajtowe lub mniejsze w komputerach osobistych należą do rzadkości, najczęściej posiadają rozmiar nawet kilkuset GB, (w laptopach 20 GB i więcej). Małe dyski o pojemności do 1 GB stosuje się w urządzeniach przenośnych, np. w kartach Compact Flash (1 Gigabajt Microdrive) do cyfrowych aparatów fotograficznych.
Dla dysków twardych najważniejsze są parametry: pojemność, szybkość transmisji danych, czas dostępu, prędkość obrotowa talerzy (obr/sek.) oraz MTBF.
Kilka dysków twardych można łączyć w jedną logiczną całość: macierz dyskową, dzięki czemu można zwiększyć niezawodność przechowywania danych, dostępną przestrzeń na dane, zmniejszyć czas dostępu.
Dysk twardy a dysk miękki
Użycie sztywnych talerzy i uszczelnienie jednostki umożliwia większą precyzję zapisu niż na dyskietce. W wyniku czego dysk twardy może zgromadzić o wiele więcej danych niż dyskietka, ma również krótszy czas dostępu do danych i w efekcie szybszy transfer. W 2003 r. dysk twardy w typowym stanowisku pracy mógł zgromadzić od 60 do 120 GB danych, obracać się z prędkością 5.400 do 10.000 rpm (ang. rotations per minute - obrotów na minutę) i mieć średnią prędkość przesyłu danych na zewnątrz na poziomie 30 MB/s.Budowa
Ramię głowicy dysku ustawia głowice w odpowiedniej odległości od osi obrotu talerza w celu odczytu lub zapisu danych na odpowiednim cylindrze. Pierwsze konstrukcje były wyposażone w silnik krokowy, stosowane również w stacjach dysków. Wzrost liczby cylindrów na dysku oraz konieczność zwiększenia szybkości dysków wymusił wprowadzenie innych rozwiązań. Najpopularniejszym obecnie jest tzw. voice coil czyli cewka, wzorowana na układzie magnetodynamicznym stosowanym w głośnikach. Umieszczona w silnym polu magnetycznym cewka porusza się i zajmuje położenie zgodnie z przepływającym przez nią prądem, ustawiając ramię w odpowiedniej pozycji. Dzięki temu czas przejścia między kolejnymi ścieżkami jest nawet krótszy niż 1 milisekunda a przy większych odległościach nie przekracza kilkudziesięciu milisekund. Układ regulujący prądem zmienia natężenie prądu, tak by głowica ustabilizowała jak najszybciej swe położenia w zadanej odległości od środka talerza (nad wyznaczonym cylindrem).
Informacja jest zapisywana na dysk przez przesyłanie strumienia elektromagnetycznego przez antenę albo głowicę zapisującą, która jest bardzo blisko magnetycznie polaryzowalnego materiału, który zmienia swoją polaryzację (kierunek namagnesowania) wraz ze strumieniem magnetycznym. Informacja może być z powrotem odczytana w odwrotny sposób, gdyż zmienne pole magnetyczne powoduje indukowanie napięcia elektrycznego w cewce gowicy lub zmianę oporu w głowicy magnetyczno oporowej.
Ramiona połączone są w zworą i poruszają się razem. Zwora kieruje głowicami promieniowo po talerzach a w miarę rotacji talerzy, daje każdej głowicy dostęp do całości jej talerza.
Zintegrowana elektronika kontroluje ruch zwory, obroty dysku, oraz przygotowuje odczyty i zapisy na rozkaz od kontrolera dysku. Niektóre nowoczesne układy elektroniczne są zdolne do skutecznego szeregowania odczytów i zapisów na przestrzeni dysku, oraz do remapowania sektorów dysku, które zawiodły.
Szczelna obudowa chroni części napędu od pyłu, pary wodnej, i innych źródeł zanieczyszczenia. Jakiekolwiek zanieczyszczenie głowic lub talerzy może doprowadzić do uszkodzenia głowicy (head crash), awarii dysku, w której głowica uszkadza talerz, ścierając cienką warstwę magnetyczną. Awarie głowicy mogą również być spowodowane przez błąd elektroniczny, zużycie i zniszczenie, błędy produkcyjne dysku.