Город основан в 1154 г. князем Юрием Долгоруким в заболоченной долине реки Яхрома на месте ранее существовавших здесь славянских поселений и назван в честь Всеволода Большое Гнездо (в крещении — Дмитрия, сына Юрия Долгорукого), родившегося в тот год.
В 1181 г. упоминается в летописи как один из укрепленных пунктов на окраине Владимиро-Суздальской земли. Дмитров имел не только стратегическое значение в качестве пограничной крепости, но и экономическое. Отсюда по рекам Яхроме и Сестре шел водный путь в верховья Волги, по суше город был связан с верховьями Клязьмы, откуда товары могли быть доставлены во Владимир. Однако полностью реализовать себя торговый путь по Яхроме и Сестре смог лишь в XV—XVI веках, связав с Волгой уже не Владимир, а Москву, что было обусловлено по большей части политической нестабильностью в регионе, ликвидированной лишь после объединения Руси.
В 1180 г. во время войны Святослава Всеволодовича со Всеволодом Большое Гнездо Дмитров был сожжен черниговским князем. Вскоре он оправился от разорения и к 1214 г. это уже был большой город с предместьями, и принадлежал Ярославу Всеволодовичу. Тогда к нему подошел с набранным в Москве войском сын Всеволода Владимир. Взять город не удалось, более того, во время отступления неприятеля дмитровцы разбили один из его отрядов.
Город неоднократно менял своих хозяев. Во время нападения Владимира он с окрестностями входил в состав небольшого Переяславского удельного княжества с центром в городе Переяславль-Залесский, входившего в состав Владимиро-Суздальского великого княжества. Около 1247 г. образовалось Галицко-Дмитровское княжество, затем, в 1280 г., когда в летописи сообщается о смерти князя Галицкого и Дмитровского Давида Константиновича и в 1334 г., когда упоминаются князья Борис Дмитровский и Федор Галицкий, Галицко-Дмитровское княжество распадается и образуется самостоятельное Дмитровское княжество.
В течение XIII века город дважды (в 1238 г. Батый, в 1293 г. Тудан) был разграблен монголо-татарами. В 1300 г. в Дмитрове состоялся съезд 4-х ведущих князей Северо-Восточной Руси (Андрей Александрович Владимирский, Даниил Александрович Московский, Иван Дмитриевич Переяславский и Михаил Ярославич Тверской). в 1382 г. город был сожжен Тохтамышем, последний раз степной набег затронул город в 1408 г. (Едигей).
В 1364 г. Дмитровское княжество вошло в состав Московского, и титул князя Дмитровского сохранялся за сыновьями Великого князя. В 1372 г. город осаждал и взял с него выкуп Михаил, князь Тверской. Наивысшего расцвета город достиг в первой половине XVI веке при князе Юрии (правил в 1505-1533 гг.), втором сыне Ивана III. Именно в это время возводится Успенский собор и начинается каменное строительство в Борисоглебском монастыре. Торговые связи дмитровских купцов достигали Каспия, через Дмитров проходил торговый путь на север, куда поставлялся хлеб и откуда в Москву везли пушнину, соль и ценных охотничьих птиц.
Дмитровской торговле покровительствовала высшая княжеская власть, например, в 1489 г. именно здесь селят купцов из завоеванной Вятки.
В XV—XVI веках вокруг центра Дмитрова сформировались городские слободы, заселенные ремесленным людом и купцами: Березовская, Спасская, Пятницкая, Никитская, Ильинская (или Юрьевская) и Васильевская, Конюшенная слобода за рекой Яхромой, принадлежавшая одноименному приказу. К городу непосредственно примыкало дворцовое село Подлипичье.
В 1565 г. после разделения царем Иваном Грозным Русского государства на опричнину и земщину город вошел в состав последней.
В 1569 г. дмитровский князь Владимир Андреевич казнен, оказавшись последним удельным князем на Руси, а город был передан в опричнину. В это время Русь была ввергнута в тяжелейший кризис, сказавшийся и на дмитровской торговле.
12 января 1610 г. в городе укрепились отступившие от стен Троице-Сергиева монастыря отряды Яна Сапеги. В феврале против них выступил Михаил Скопин-Шуйский, он победил Сапегу в полевом сражении и освободил бы Дмитров, но город удержали союзные полякам донские казаки. Сапега, однако, не задержался в Дмитрове — дождавшись прибытия из-за Волги отрядов с припасами, он отошел к Волоколамску, а Скопин-Шуйский, сняв таким образом блокаду Москвы, торжественно вступил в столицу.
Польское разорение сказывалось еще долго. Уничтоженные Сапегой деревянные укрепления больше не восстанавливались, тем более, что и потребность в них отпала. В 1624 г. в городе жили лишь 127 человек в более чем 100 дворах. Еще сотня дворов стояла пуста. Однако уже через 25 лет население выросло в 10 раз, но так и не достигло показателя вековой давности. Возрождение старого речного торгового пути началось только с основанием Санкт-Петербурга, хотя еще в конце XVII века он использовался для доставки к царскому столу в особых судах живой рыбы с Волги.
В 1781 г. Дмитров становится центром уезда (который, помимо территории современного Дмитровского района, включал также Сергиев Посад) и в числе многих русских городов получает герб.
В XVIII—XIX веках Дмитров оставался в основном торговым городом. Доля купечества здесь достигала 10-15%, в то время как в среднем по стране купцов было около 1,3% от городского населения. К концу XVIII века начинается новое оживление в местной торговле, что сказывается на развитии Дмитрова. Возобновляется каменное строительство, перестраиваются старые деревянные церкви, в 1784 г. город получает регулярный план застройки.
Отечественная война 1812 г. почти не нанесла городу урона. 10 октября (28 сентября н.ст.) Дмитров занял французский отряд, но, узнав о приближении русских войск из Клина, вскоре оставил город без боя.
Любопытно, что «визитной карточкой» города, как и в Туле, были пряники, а также баранки. В частности, во время визита в 1858 г. Александра II вместо традиционных хлеба-соли гостю поднесли печатный пряник. В музеях еще сохранились доски-формы для традиционных дмитровских пряников «разгоня».
Во второй половине XIX века после строительства Николаевской железной дороги Москва - Санкт-Петербург через Клин (1851) и Московско-Ярославской железной дороги через Сергиев Посад (1869) Дмитров, оставаясь административным центром, оказывается в относительно невыгодном экономическом положении, значение старой речной торговли сходит на нет, население сокращается, хотя уезд в целом считался одним из наиболее промышленно развитых в губернии наряду с Богородским и Московским.
Из этого состояния город отчасти вывела постройка железной дороги Москва - Савелово (1900). Дорогу провели прямо через город. При строительстве засыпали старое русло реки Яхромы (Нетеку).
Ко времени Первой мировой войны начинается рост населения и промышленности. В частности, чугунолитейный завод Галкина получил заказ на изготовление ряда деталей экспериментального Царь-танка, испытанного вскоре на полигоне близ деревни Очево Дмитровского уезда. Развитию экономических связей в уезде способствовало создание в 1915 г. Союза дмитровских кооперативов.
Катастрофичность продовольственного вопроса в городе нарастала по мере усиления натурализации экономики, прямого продуктообмена и других мер политики военного коммунизма, к которой большевики приступили с лета 1918 г. Пытаясь оттянуть голод, городской Совет по постановлению уездного продовольственного комитета решает прекратить выдачу хлеба и муки лицам 1-й категории (все население города было разделено на 3 категории в зависимости от социально-классовой принадлежности), куда относились имущие слои города.
11 августа 1918 г. в Дмитровском уезде случилось восстание местных жителей против попытки дополнительного изъятия имущества силами тройки чекистов и отряда красноармейцев в селе Рогачево. Возмущенные решением местного Комитета бедноты о дополнительном изъятии зерна и продовольствия, жители Рогачева и его окрестностей напали на прибывший сюда продотряд. Были убиты 6 красноармейцев. На следующий день в Рогачево прибыл из Дмитрова отряд латышских стрелков из Москвы. В ходе зачистки несколько зачинщиков восстания были схвачены и расстреляны; их тела, находящиеся на Соборной площади села Рогачево, до сих пор не захоронены. Прах красноармейцев, погибших 11 августа, был перевезен в Дмитров и захоронен в сквере по улице Загорской. На этом месте был поставлен обелиск с красной звездой и 4 памятными досками с записями о шести героях-мучениках, погибших в борьбе с кулаками.
В 1929 г. был образован Дмитровский район, в который вошли 7 волостей бывшего Дмитровского уезда Московской губернии и ряд населенных пунктов Сергиевского и Клинского уездов. В 1930 г. волости как административные единицы ликвидированы. Впоследствии границы района неоднократно менялись. Наиболее существенная из этих перемен — разделение в 1935 г. территории района на два: собственно Дмитровский и Коммунистический с центром в Рогачеве.
10 апреля 1932 г. Президиум ВЦИК постановил «Включить в черту Дмитрова, Дмитровского района, селения: Подлипичье, Шпилево и Подлипичью слободу с их земельными угодиями».
15 июня 1931 г. было принято Постановление Пленума ЦК ВКП(б) о строительстве канала Москва-Волга. 1 июня 1932 г. СНК СССР рассмотрел и утвердил дмитровский вариант направления трассы канала. Строительство канала велось силами заключенных.
В 1932 г. в связи с началом строительства канала руководство ДмитЛага решило приспособить под свои нужды Борисоглебский монастырь, где с 1926 г. размещался музей и архив.
Сентябрь 1934 г. Завершение работ на 1 опытном километре канала между Дмитровом и Яхромой.
При строительстве канала было так много погибших заключенных, что их закапывали прямо на берегах канала. Потом стали увозить тела подальше, чтобы не подвергнуть заражению водоснабжение Москвы.
Канал был проложен прямо по городской территории. При прокладке канала изолированным оказалось Заречье, почти исключенное из хозяйственной жизни города, и исчезли находившиеся на трассе канала целые кварталы исторической части Дмитрова между рекой Яхромой и ее старым руслом Нетекой. Были снесены Всехсвятская, Преображенская, Никитская церкви и церковь Благовещения Пресвятой Богородицы на Нетеке.
Дома, расположенные на территории прокладываемого канала, были перенесены на бывшие колхозные земли с образованием Горьковского поселка. Посёлок получил название в честь известного писателя и деятеля А.М. Горького, неоднократно посещавшего и выступавшего на различных мероприятиях на строительстве канала Волга - Москва.
В то же время стройка дала импульс промышленному развитию города: сформирован Дмитровский экскаваторный завод (ДЭЗ) на базе Чугунолитейного завода Галкина, создан гравийно-песчаный завод № 24 на ресурсах района. Очередной подъем города также связан с возрождением водного пути на север.
Также в результате стройки появились поселок Каналстрой, улицы Волгостроевская, Волжская.
Май 1941 г. Объявление Яхромской поймы «народной стройкой». Начало широких работ по освоению поймы было прервано войной и возобновлено в 1958-1959 гг.
26-27 ноября 1941 г. в районе Дмитрова развернулось наступление немецко-фашистских войск, развернувшихся на Перемиловской высоте, являющихся частью Битвы за Москву к югу от Дмитрова.
Им удалось форсировать канал и закрепиться на высоте, но 29 ноября они были выбиты оттуда Первой ударной армией генерал-лейтенанта В.И. Кузнецова, находившегося в Дмитрове. От Дмитрова действовал бронепоезд № 73 НКВД под командованием капитана Малышева, дмитровский строительный батальон. После этого началось контрнаступление Красной армии. К 11 декабря весь Дмитровский район был освобожден от захватчиков.
В 1963 г. Мособлисполкомом утверждается новый генеральный план Дмитрова, согласно которому обновляется старый город и запланировано широкомасштабное строительство на новых территориях. В этом же году были заселены первые дома нового микрорайона Космонавтов.
В 1960-е гг. город был застроен многоквартирными панельными домами производства Дмитровского домостроительного комбината и приобрел основные черты современного облика.
В начале 1970-х гг. создание крупной промышленной зоны на севере города с подведенными железнодорожными путями и другой инфраструктурой, где разместились современные предприятия. В 1972 г. строительство Дмитровского опытного завода алюминиевой консервной ленты, на котором впервые в стране была получена алюминиевая лента для пищевой промышленности.
В 1990-е гг. жилищное строительство замерло, возобновившись в прежних масштабах лишь в начале 2000-х гг. К 850-летию города (2004) была проведена масштабная кампания по благоустройству и развитию города.
В 2005 г. Дмитров занял первое место во Всероссийском конкурсе «Самый благоустроенный город России» в категории «До 100 тыс. жителей». 30 октября 2008 г. Дмитрову было присвоено почетное звание «Город воинской славы».