90式戦車は、陸上自衛隊が保有する戦後第3世代MBT（主力戦車）であり、防衛庁（現・防衛省）の技術研究本部（TRDI）が、旧式化した61式戦車の代替車両として開発したものである。
本車は「TK-X」の開発呼称で、74式戦車の制式化直後の1970年代半ばに開発に着手されたといわれており、当時開発が進められていた旧西ドイツのレオパルト2戦車や、アメリカのM1エイブラムズ戦車などの西側戦後第3世代MBTに匹敵する戦車を目指して仕様の検討が続けられた。

当時の日本の仮想敵であった旧ソ連では、74式戦車の制式化以前に複合装甲を備え、125mm滑腔砲を装備する戦後第3世代MBT、T-64およびT-72戦車を実戦化させており、これに対抗するためにTK-Xは120mm級の戦車砲と、高い防御力を備える複合装甲を装備することが求められた。
そして1977年度にTK-Xのエンジン、主砲、弾薬、FCS（射撃統制装置）の、1978年度にサスペンションと複合装甲の部分試作が開始された。

TK-Xの開発の中心となったのは、TRDIの第4研究所（2006年7月に陸上装備研究所に改組、神奈川県相模原市）で、民間側の主契約者は、これまでも一手に陸上自衛隊の戦車開発を引き受けてきた三菱重工業であった。
三菱重工業は車体・砲塔と機関系を開発し、三菱電機、富士通、日本電気がFCS、主砲と自動装填装置は日本製鋼所、弾薬はダイキン工業が開発を担当した。

試作されたTK-Xの各コンポーネントは第4研究所で1981年度まで所内試験に供され、この結果を受けて1980年度にTK-Xの全体試作の仕様がまとめられた。
この要求仕様に基づいて、1982〜85年度にかけてTK-Xの第1次試作車2両が製作された。
TK-Xの第1次試作は3つの工程に分けられており、「その1」が主砲と自動装填装置、弾薬の試作品の製作、「その2」が試作第1号車とその弾薬の製作、「その3」が試作第2号車とその弾薬の製作とされていた。

まず1982〜83年度にかけて日本製鋼所でTK-Xの主砲と自動装填装置、ダイキン工業で弾薬の試作品の製作が行われた。
この時点でTK-Xの主砲は、レオパルト2戦車にも採用された旧西ドイツのラインメタル社製の、44口径120mm滑腔砲Rh120をライセンス生産したものを搭載することがほぼ決まっていたが、そのための比較素材として国産の120mm滑腔砲と弾薬が試作されることになった。

そしてラインメタル社製120mm滑腔砲と、国産120mm滑腔砲の比較射撃試験を行った結果、国産砲はラインメタル社製砲を上回る装甲貫徹力を示した。
このため関係者の一部が、TK-Xの主砲を国産砲にするべきであると強く主張し、主砲をラインメタル社製砲のライセンス生産にするか、国産砲を採用するかを巡って長期に渡って議論が続けられることになった。

結局、国産砲の製造コストがラインメタル社製砲をライセンス生産した場合よりも高くなってしまうという理由で、最終的にラインメタル社製120mm滑腔砲のライセンス生産を行うことが決定したが、結論が出るまで長い時間を要したことで、TK-Xの第2次試作を開始するのが予定より大幅に遅れてしまい、それに伴って90式戦車の制式化も当初の予定より数年遅れる結果となった。

結局、90式戦車では国産砲の採用は実現しなかったが、その後、90式戦車用の120mm滑腔砲のライセンス生産を一貫して手掛けた日本製鋼所は、この経験と持ち前の高い技術力を活かし、陸上自衛隊の最新鋭MBTである10式戦車用に、ラインメタル社製砲を上回る高性能120mm滑腔砲を開発することに成功している。
主砲と弾薬の試作品の製作に引き続いて、1982〜85年度にかけて三菱重工業が中心となって、TK-Xの第1次試作車2両の製作が行われた。

完成した第1次試作車は、1983年10月〜1986年10月の3年に渡って技術試験が実施され、機動性能、火力性能、防護性能、通信性能等が徹底的にテストされた。
技術試験において第1次試作車は合計11,000kmの走行試験、1,220発に及ぶ主砲の射撃試験が実施されたという。

この技術試験の結果を基にTK-Xの第2次試作車の仕様が決定され、1986〜88年度にかけて4両の第2次試作車が製作されて、1987年9月〜1988年12月にかけて技術試験が実施された。
第1次試作の時と同様に機動性能、火力性能、防護性能、通信性能等の各項目がテストされたが、特に防護性能に関しては装甲板のサンプルを用いての耐弾試験に留まらず、試作車に対してラインメタル社製120mm滑腔砲の実弾射撃を実施するという徹底振りであった。

技術試験において第2次試作車は合計20,500kmの走行試験、3,100発に及ぶ主砲の射撃試験が実施されたが、いずれの項目においても満足の行く性能を示したという。
そして最終段階として、1989年2〜9月にかけて陸上自衛隊によるTK-Xの実用試験が実施され、試験の結果、次期MBTとして申し分ない性能を備えているという評価が与えられたため、1989年12月15日の防衛庁装備審査会議で、TK-Xを正式に陸上自衛隊の次期MBTとして採用することが決定した。

TK-Xは1990年8月6日に「90式戦車」としての制式化が行われ、1990年度予算で30両を調達することが決定された。
その後、90式戦車の調達は年20両弱のペースで2009年度まで続けられ、合計で341両が生産された。
2009年12月には後継の10式戦車の陸上自衛隊への採用が決定したため、今後はこの10式戦車に生産が切り替えられることになる。

前述のように、90式戦車の主砲はドイツのラインメタル社製の44口径120mm滑腔砲Rh120を、日本製鋼所でライセンス生産したものを搭載している。
120mm滑腔砲は西側の戦後第3世代MBTの標準武装ともいえるもので、イギリス以外の西側諸国の戦後第3世代MBTの主砲に採用された。

中でもラインメタル社製のRh120および、その派生型が大きなシェアを占めており、ドイツのレオパルト2戦車に採用されたのを皮切りに、アメリカのM1A1およびA2戦車（改修型のM256）、日本の90式戦車、韓国のK1A1戦車（M256のライセンス生産型のKM256）などに採用されている。
一方イギリスは、チーフテン戦車用に開発した王立造兵廠製の120mmライフル砲L11A5を、第3世代MBTのチャレンジャー1戦車にも搭載し、後継のチャレンジャー2戦車にも改良型の120mmライフル砲L30A1を採用している。

90式戦車の主砲は基本的にオリジナルのRh120と同じであるが、日本製鋼所が開発した自動装填装置と組み合わせることで装填手が不要となったため、乗員が61式、74式戦車の4名から3名に減らされている。
この自動装填装置は回転式のベルトコンベアのような構造になっており、砲塔内の砲手もしくは車長が装填したい弾薬の選択スイッチを入れると、砲塔後部のバスルに収容されている弾薬から選択された弾種を選んで装填トレイに搭載し、装填トレイが前進してラマーで弾薬を主砲の砲尾に押し込むようになっている。

弾薬の装填は4秒以内に完了するといわれており、装填手が人力で弾薬を装填するレオパルト2戦車やM1戦車、メルカヴァ戦車などより迅速に射撃を行うことが可能である。
しかし実戦経験が豊富なイスラエル軍は、「戦車の乗員は掩体構築や車両整備、周辺警戒などで最低4名必要であり、自動装填装置を搭載して乗員を3名に減らすのは好ましくない、熟練した装填手なら自動装填装置と変わらない速度で装填を行える」と主張しており、自動装填装置の採用には賛否両論あるようである。

90式戦車の主砲用弾薬は、運動エネルギー弾がJM33 APFSDS（装弾筒付翼安定徹甲弾）、化学エネルギー弾がJM12A1 HEAT-MP（多目的対戦車榴弾）で、その他に演習・訓練用の00式演習弾が用意されている。
JM33 APFSDSは、ラインメタル社が開発したDM33 APFSDSをダイキン工業がライセンス生産したもので、砲口初速1,650m/秒、射距離1,000mで499mm、2,000mで459mmのRHA（均質圧延装甲板）を貫徹することが可能である。

JM12A1 HEAT-MPは、やはりラインメタル社が開発したDM12A1 HEAT-MPをダイキン工業でライセンス生産したもので、成形炸薬弾と破片効果榴弾の両方の特性を兼ね備えているため、装甲目標と非装甲目標のどちらにも使用可能である。
砲口初速は1,140m/秒で装甲目標に使用した場合、射距離に関わらず600〜700mm厚のRHAを穿孔可能である。

00式演習弾は、ダイキン工業によって開発された純国産の演習弾で、2000年に制式化されている。
想定交戦距離とされている射距離2km以内では、APFSDSと同様の弾道特性を示すように設計されており、それ以上の距離になると安全のために、運動エネルギーを急激に喪失するように工夫されている。

この00式演習弾が開発される前は実弾を用いた射撃しかできなかったため、90式戦車は国内における射撃演習では走行間射撃が禁止されていた。
90式戦車のFCSは、大容量のディジタル弾道コンピューターを中心とする進歩したものを搭載しており、昼/夜間を問わず、走行中でも高い主砲命中精度を実現している。

目標までの距離測定は、Nd-YAG（ネオジム-イットリウム・アルミ・ガーネット）レーザーで行われる。
また熱線映像装置も装備しており、このセンサーによる赤外線画像をロックオンし自動追尾することもできる。
車長用には2軸が安定化された専用サイトが用意されており、砲手が目標を攻撃する間に車長が次の目標を捜索・捕捉する、ハンター・キラー的な運用が可能となっている。

90式戦車の車体と砲塔は圧延防弾鋼板の全溶接構造となっており、スマートな曲線を持つ74式戦車とは対照的にマッシブで直線的な外観となっている。
また、特に被弾確率の高い砲塔前面と車体前面の装甲板には、防弾鋼板とチタンやセラミックを組み合わせているといわれる複合装甲が導入されている。

重装甲化が進んで戦闘重量が60tを突破しているレオパルト2戦車やM1戦車、チャレンジャー戦車等の西側第3世代MBTに比べ、90式戦車の戦闘重量は50.2tとやや軽量であるが、これは90式戦車が日本の道路事情（横幅と重量の制限）を考慮して、他国の戦車に比べて横幅を狭く設計していることと、各部の装甲厚を薄くすることで軽量化を図ったことによると思われる。

しかし軽量だからといって、他国の戦車より装甲防御力が劣っているわけではなく、高性能な複合装甲を採用したことで、90式戦車の砲塔前面と車体前面の装甲防御力は、M1A2戦車と同等かやや上回るレベルともいわれており、試作車を用いた耐弾試験では、ラインメタル社製120mm滑腔砲の零距離相当射撃が4発以上命中したにも関わらず、ほとんど機能に影響が見られなかったという。

90式戦車の複合装甲の詳細は重要機密であるため公表されていないが、防弾鋼板の箱の中にチタン合金の外殻で拘束したセラミック板を、ハニカム構造に何層も敷き詰めた構造になっているのではないかと推測されている。
セラミックは非常に硬度が大きく耐摩耗性に優れているため、特にAPFSDSのように細長い侵徹体を高速で突入させるタイプの運動エネルギー弾の装甲貫徹力を、大きく減少させる効果がある。

また成形炸薬弾に対しては、発生したメタルジェットがセラミックを穿孔する際に、剥離したセラミック片がメタルジェットを側方から押し包んで流れを妨害するため、通常の防弾鋼板に比べて圧倒的に高い防御力を発揮する。
一説によると、90式戦車の複合装甲は成形炸薬弾に対して、1,500mm厚のRHAに相当する防御力を備えているといわれる（M1A2戦車の劣化ウラン複合装甲は、成形炸薬弾に対して1,300mm厚RHA相当の防御力）。

また90式戦車は61式、74式戦車には装備されていなかったサイドスカートが装着されており、車体側面の防御力を向上させている。
このサイドスカートは圧延防弾鋼板製で、厚さは8mm程度と薄いため運動エネルギー弾にはあまり効果が無いと思われるが、車体側面装甲板とサイドスカートとの間の空間が空間装甲の役目を果たしているため、成形炸薬弾の装甲穿孔力を減少させるのには有効である。

90式戦車のエンジンは、三菱重工業が開発した10ZG32WT 90度V型10気筒液冷ディーゼル・エンジンが搭載されている。
日本の戦車のエンジンは、旧軍時代から一貫して空冷ディーゼル・エンジンが採用されてきたが、90式戦車のエンジンは従来よりはるかに大出力であるため、空冷方式では冷却能力が不充分で、より冷却能力に優れる液冷方式が採用されたのである。

90式戦車の10ZG32WTエンジンは、74式戦車の10ZF22WTエンジンと同じく2ストロークで、やはり2基のターボチャージャーによる過給を行っている。
さらに低回転領域での過給を補助するため、10ZG32WTエンジンにはスーパーチャージャーが追加されている。
エンジン技術の進歩により、10ZG32WTエンジンの排気量は10ZF22WTエンジンと同じ21.5リットルであるにも関わらず、出力は2倍以上の1,500hpに向上している（10ZF22WTエンジンの出力は720hp）。

ドイツのレオパルト2戦車も90式戦車と同じく、出力1,500hpの液冷ディーゼル・エンジンを搭載しているが、レオパルト2戦車のMB873Ka-501エンジンは排気量が47.6リットルと、90式戦車の2倍以上あることから、いかに90式戦車のエンジンがコンパクトに設計されているかが分かる。
変速・操向機は、三菱重工業製のMT1500自動変速・操向機（前進4段/後進2段）が採用されており、エンジンや冷却装置と共にパワーパックとして一体化されて、車体後部の機関室に収められている。

MT1500変速・操向機は、トルク変換機付き自動変速機に油圧式操向機を組み合わせたもので、74式戦車と同じくバイク型のバーハンドルで操作する。
90式戦車の足周りは片側6個の中直径転輪、片側3個の上部支持輪、後方に配置された起動輪、前方に配置された誘導輪で構成されている。

サスペンションについては、トーションバー（捩り棒）式サスペンションと油気圧式サスペンションを組み合わせたハイブリッド式サスペンションが採用されている。
片側6個の転輪のうち前方の第1、第2転輪および後方の第5、第6転輪が油気圧式サスペンション、中央の第3、第4転輪がトーションバー式サスペンションで懸架されており、油気圧式サスペンションで懸架されている前後の転輪は油圧により上下に高さ調節ができる。

90式戦車はこの機能を利用して、車体を−255mm〜＋170mmの範囲で上下させたり、±5度の範囲で前後に傾ける姿勢制御ができるようになっており、車体・砲塔の露出を最小限に抑えた稜線越しの射撃が行える。
90式戦車の主砲の俯仰角は−7〜＋10度に過ぎないが、この前後方向の姿勢制御を利用することにより、実質的な俯仰角は−12〜＋15度にまで増大する。
ただし、74式戦車にあった車体を左右に傾ける機構は90式戦車では廃止されている。

このように90式戦車は非常に高性能である反面、61式/74式戦車に比べて調達価格も非常に高く（調達が開始された1990年度は10.8億円、2001年度以降は8億円前後）、防衛予算が限られているため年間の調達台数は15〜20両程度に留まり、充分な数を揃えるのに長い期間を要する結果となった。
90式戦車は性能的には、世界の戦後第3世代MBTの中でもかなり上位にランクされる優秀な戦車であるが、価格が高いのが最大の問題点といえよう。