《西》学专家认为，孙悟空演变大致经历了四个阶段 第一阶段为不定名号阶段，据《大慈恩寺三藏法师传》载，玄奘西行途经瓜州时，曾收过一个名叫石槃陀的胡僧作向导，但刚过葫芦河，他就畏惧前途艰险退回了瓜州；
第二阶段为猴行者阶段，极具有猴相特征的石槃陀被修改加工成了猴行者，《大唐三藏取经诗话》中自称“花果山紫云洞八万四千铜头铁额猕猴王”的猴行者装扮成白衣秀士保玄奘一路赴西取经；
第三阶段为“齐天大圣”和“通天大圣”齐名阶段，金院本、平话和元杂剧广为流传，代表作吴昌龄的《唐三藏西游记》和杨景贤的《西游记杂剧》，这一阶段“齐天大圣”“通天大圣”共存，其中杨景贤《西游记杂剧》中的“齐天大圣”是通天大圣的哥哥，他自称“小圣”，排行老二，号“通天大圣”；
第四阶段为齐天大圣定名阶段，孙悟空不仅由元杂剧阶段的“通天大圣”转换成了“齐天大圣”，而且集以前各阶段之大成，将历史真人胡僧（猢狲）石槃陀、（猴）“行者”、“齐天大圣”集于一身，塑造了齐天大圣孙悟空，这个永垂不朽的艺术形象。
南宋时期《大唐三藏取经诗话》中出现的“白衣秀才猴行者”是孙悟空第一次在文本资料里出现，应是吴承恩创造孙悟空的雏型。猴行者作为取经过程的护法形象出现，使玄奘取经故事脱离了历史原型，给取经故事增加了丰富、神奇的内容。
这位猴行者原是一位大罗神仙，因偷吃王母蟠桃，被贬至花果山。他是一位学问渊博的秀才，诚心保护唐僧西天取经。他自称花果山紫云洞八万四千铜头铁额猕猴王，能知过去未来之事，还知道西天取经有百万程途要经过三十六国，多有祸难。他能广施法力，将玄奘等六位凡夫俗子带到天上水晶宫赴斋。大梵天王赠给猴行者的隐形帽、金锡镮杖、钵盂三件法宝在西天取经、降妖伏怪、征服险阻过程中也发挥了巨大作用。同时，在整个西天取经过程中，他一直和法师患难与共，结伴同行，从东土一直走到西天。尽管这个号称“花果山紫云洞八万四千铜头铁额猕猴王”的白衣秀才的“神”与“形”，名与实常发生矛盾，但是《诗话》中的猴行者已经初步具备了吴承恩《西游记》的雏型。而必须注意的是，在《诗话》的猴行者身上，人、神、猴三种艺术因素并没有得到很好的统一，直到《西游记平话》和杂剧《西游记》中，才有了新的飞跃。
与宋代相比，元代是《西游记》成书过程中的重要环节。这一时期除了有《西游记平话》等话本之外，戏曲也为《西游记》的成书和完善做出了贡献。如金院本《唐三藏》、元吴昌龄《唐三藏西天取经》、元末明初杨景贤《西游记杂剧》等，都为吴承恩最后写定《西游记》提供了广泛的素材。元代在《西游记》成书过程中的最大贡献是，冲淡取经故事中的宗教色彩，增强传统文化的内容，以受众喜闻乐见的形式对《西游记》的文化选择做出规范。这个阶段的孙悟空形象的主要表现：其一，反对天宫；其二，变化无穷；其三，救人之难。所谓反对天宫，主要表现为已经有了比较完整的大闹天宫的故事；所谓“变化无穷”，是指孙悟空不仅仅能变作某种物类，而且在变化时能与猴子的自然特征联系在一起；所谓“救人之难”，是指孙悟空不但能降妖伏怪，而且还能救人危难，抱打不平。如在杂剧《西游记》里，当裴太公的女儿被黑猪精拐走时，他便自告奋勇捉拿妖精，救回裴女，使裴氏父女得到团圆。
从杂剧《西游记》的总体倾向看，虽然也歌颂了孙悟空的能力与正义感，但对他的反天宫的行动，却并不表示肯定。当玉帝派天将捉拿他时，立场马上转到天宫正统的一边。威力无穷的齐天大圣，很容易被天兵捉获，而且被擒后马上磕头求饶。在全剧结束时，更有这样一段话：“犯天条齐天大圣，盗仙酒罪犯非轻。盗灵丹合当斩首，罚阴司不得超升。尊上帝好生之德，再休题妄想贪嗔。从今后改恶从善，朝上帝礼拜三清。” 综观全剧，其中表现的爱憎很不鲜明。由此也使剧中人物性格显现出前后不一。
杂剧《西游记》中的孙悟空号称通天大圣（其大哥为齐天大圣），其反抗性格比较鲜明。他豪迈地说：“一自开天辟地，两仪便是吾身。曾教三界费精神。四方神鬼怕，五岳鬼神啧。……九天难捕我，十万总魔君。” 而他平时过着的是 “喜时攀藤搅葛，怒时扰海翻江”的，自由自在的生活。他还偷了太上老君的金丹，“九转炼得铜筋铁骨，火眼金睛”。后来，虽然玉帝派天兵天将围剿他，他却一直英勇奋战，不倒旗鼓。战败则俘，被压山下后，仍然反心不泯。当唐僧把他救出来时，他立刻想回花果山去。
特别值得注意的是《西游记》杂剧中的孙悟空神通广大、变化多端的本领。他一个筋斗能去十万八千里路程，有变三头六臂的本领，还能灵巧地爬上树去“化作个焦螟虫”。他的武器也变成一条运用自如的“生金棍”，不用时可以变小放在耳朵里。这种“筋斗云”、“生金棍”、“焦螟虫”以及“攀藤搅葛”、“搅海翻江”的神通，都为小说《西游记》塑造孙悟空时所继承。
但是杂剧中孙悟空身上残留的妖性还比较浓。当唐僧把他从五指山下救出后，已经拜唐僧为师，他却背着唐僧说好个胖和尚，到前面吃得我一顿饱。同时，他还是个下流不堪的好色之徒。他不仅霸占了金鼎国的王女为妻，而且在西天取经路过女人国时，被美女缠住，便起了凡心。如果没有金箍咒的禁制，他便破了戒。过火焰山时，听说铁扇公主的美貌，便打听她有没有丈夫。一见铁扇公主便要与她婚配，说一些庸俗不堪的话。致使铁扇公主发怒，不肯借给扇子。这些情节，虽然在整个剧本中不是主导，也不曾在吴承恩的《西游记》有所表现，但却从另外一个侧面反映出从当时孙悟空形象到《西游记》中的孙悟空形象有着相当大的改变。
在《西游记》中，孙悟空经历了一个由“猿”到“人”的发展过程。所谓“猿”，是指具有神话色彩和妖性特点的“猿猴”形象。所谓“人”，是指具有人的思想感情和性格特征的神话艺术形象。明代吴承恩在对孙悟空形象的再创作中保留了这变化中的特点。