Pierre Lallement émigre en 1865 aux États-Unis sans avoir pu trouver de soutien financier à Paris pour sa machine, et obtient le premier brevet au monde sur le vélocipède à pédales en novembre 1866. Il réussit à vendre son brevet à un New-yorkais, Calvin Witty, qui sera le premier à fabriquer des deux-roues aux États-Unis (un seul de ces vélocipèdes semble avoir survécu) et retourne en France en 1868. À la fin de cette année, Witti vendant sa licence à d'autres constructeurs, le succès se produit également aux États-Unis. Quelques-uns surnommèrent la machine boneshaker (« secoueuse d'os »), en raison de la conception des roues, en bois cerclées de fer. Les premières garnitures de roues en caoutchouc dur apparaissent en 1869 et améliorent sensiblement le confort de l'engin.

Après la guerre de 1870, le perfectionnement des vélocipèdes se poursuit surtout en Angleterre. La roue avant se fait plus grande tandis que la roue arrière diminue de taille. Le premier grand-bi, appelé Ordinary, apparait en 1872. Ce genre de bicyclette connait un succès foudroyant auprès de la bourgeoisie qui seule avait les moyens de se l'offrir. En Angleterre, il est surnommé penny farthing (d'après la taille respective de ces deux pièces de monnaie, par analogie avec les roues). En France, il est utilisé de manière ostentatoire par les bourgeois (exemple : culture du plaisir et de l'élégance dans le bois de Boulogne).

Le premier brevet de bicyclette a été déposé en 1871 par Viarengo de Forville, un Italien résidant en France. Dans son brevet français du 30 septembre 1871 sont jointes des photos représentant une bicyclette d'homme et une de femme.

En 1884, John Kemp Starley de la société The Coventry Sewing Machine Company (« société des machines à coudre de Coventry »), qui deviendra Rover, invente la « bicyclette de sécurité » avec des roues de taille raisonnable et un entraînement par chaîne. Le cycliste y est installé à l'arrière, ce qui rend presque impossible la chute de type « soleil » où le cycliste est catapulté par-dessus la roue avant.

En 1886, Peugeot commercialise ses premières bicyclettes. En 1885, le Bordelais Juzan en construit quelques-unes également, au look plus moderne que les anglaises.

Un engrenage plus grand à l'avant (le plateau) qu'à l'arrière (le pignon) fait tourner la roue arrière plus vite que les pédales ne tournent, ce qui permet à ce type d'engin d'aller vite même sans une roue géante.

En 1888, John Boyd Dunlop invente le pneumatique (brevet français n° 193 281 déposé par John Boyd Dunlop le 1^er octobre 1888 : « Garniture de jante applicable aux roues de véhicules. ») qui contribue à améliorer encore le confort du cycliste. Édouard Michelin perfectionne cette invention en déposant en 1891 un brevet de « pneu démontable », la chambre à air.

Les bicyclettes de sécurité de 1890 ressemblent déjà beaucoup aux bicyclettes actuelles. Elles ont des pneumatiques de taille comparable à celle d'un vélo moderne, des roues à rayons, un cadre en tubes d'acier et une transmission par chaîne. La seule chose qui leur manque est le changement de vitesses.

Dans les années 1890, ce nouveau modèle de bicyclette élargit la cible des utilisateurs potentiels. De plus, en lien avec la seconde révolution industrielle, les bicyclettes deviennent un produit industriel (en France, les grandes marques sont alors Peugeot, Manufrance, Mercier), réduisant leur prix à un point qui les rend abordables aux ouvriers. Cela conduit à une « folie de la bicyclette », qui est à l'origine d'une évolution sociale importante (passage du vélo loisir au vélo utilitaire).

Dès cette période, la bicyclette s'impose comme un moyen de découvrir le monde. Alors que se développe la mode des tours du monde, le premier tour à vélo se déroule entre 1891 et 1894. La première femme à avoir réalisé cet exploit en solitaire est Annie Cohen Kopchovsky, dite Annie Londonderry, sur un modèle masculin de bicyclette de marque Sterling, en quinze mois.