Город основан в 1154 князем Юрием Долгоруким в заболоченной долине реки Яхрома на месте ранее существовавших здесь славянских поселений и назван в честь святого великомученика Димитрия Солунского — небесного покровителя сына Юрия Долгорукого, Всеволода, родившегося в тот год. В 1181 году 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 шёл 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 году во время войны Святослава Всеволодовича со Всеволодом Большое Гнездо Дмитров был сожжён. Вскоре он оправился от разорения и к 1214 это уже был большой город с предместьями. Тогда к нему подошёл с набранным в Москве войском сын Всеволода Владимир. Взять город не удалось, более того, во время отступления неприятеля дмитровчане разбили один из его отрядов. Город неоднократно менял своих хозяев. Во время нападения Владимира он входил в состав Переяславского княжества. Около 1247 образовалось Галицко-Дмитровское княжество, затем, между 1280, когда в летописи сообщается о смерти князя Галицкого и Дмитровского Давида Константиновича и 1334, когда упоминаются князья Борис Дмитровский и Фёдор Галицкий, Галицко-Дмитровское княжество распадается и образуется самостоятельное Дмитровское княжество. В течение XIII века город дважды (в 1238, 1293) был разграблен монголо-татарами, последний раз степной набег затронул город в 1408. Одним из центральных событий истории всей Северо-Восточной Руси стал княжеский съезд в Дмитрове 1301 года (Даниил Александрович Московский, Иоанн Дмитриевич Переяславский, Андрей Александрович Владимирский и Михаил Ярославич Тверской).
В 1364 Дмитровское княжество вошло в состав Московского и титул князя Дмитровского сохранялся за сыновьями Великого князя. Наивысшего расцвета город достиг в первой половине XVI веке при князе Юрии (правил в 1505—1533), втором сыне Ивана III. Именно в это время возводится Успенский собор и начинается каменное строительство в Борисоглебском монастыре. Герберштейн сообщает о том что 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 году именно здесь селят купцов из завоёванной Вятки. В 1569 году дмитровский князь Владимир Андреевич казнён, оказавшись последним удельным князем на Руси, а город передается в опричнину. В это время Русь была ввергнута в тяжелейший кризис, сказавшийся и на дмитровской торговле. Генрих фон Штаден, в 1560-70-х годах описывая путь в Москву по Шексне, Волге и др. рекам через Углич и Дмитров отмечает, что города эти запустели В XVII веке в Дмитрове появляются царские слободы. В мае 1609 под Дмитровом воевода Скопин-Шуйский разбил войска Лжедмитрия II. 12 января 1610 в городе укрепились отступившие от стен Троице-Сергиева монастыря отряды Яна Сапеги (см. Троицкая осада). В феврале против них выступил 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 отошёл 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 в городе жило лишь 127 человек в более чем 100 дворах. Ещё сотня дворов стояла пуста. Однако уже через 25 лет население возросло в 10 раз, но так и не достигло показателя вековой давности. Возрождение старого речного торгового пути началось только с основанием Санкт-Петербурга, хотя ещё в конце XVII века он использовался для доставки к царскому столу в особых судах живой рыбы с Волги.
В 1781 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 город получает регулярный план застройки. Отечественная война 1812 года почти не нанесла городу урона. 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 и баранки. В частности, во время визита в 1858 Александра II вместо традиционных хлеба-соли гостю поднесли печатный пряник. Во второй половине XIX века после строительства Николаевской железной дороги Москва-Санкт-Петербург через Клин (1851) и 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-Савёлово (1900). 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.
Очередной подъём города также связан с возрождением водного пути на север. В 1932—1938 в городе существовало подразделение ГУЛАГа — Дмитровлаг, занимавшееся строительством канала имени 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 церковь, Преображенская церковь и церковь Благовещения Пресвятой Богородицы на Нетеке (церковь Василия Великого). В то же время, стройка дала импульс промышленному развитию города, основаны ДЭЗ, ДЗФС, территория города расширилась за счёт включения бывших колхозных земель, на которых был создан Горьковский посёлок, население увеличилось в 3 раза. 26-27 ноября 1941 в районе г. Дмитрова развернулось наступление немецко-фашистских войск (см. Битва за Москву), им удалось форсировать канал и закрепиться на Перемиловской высоте (к югу от Дмитрова), но 29 ноября они были выбиты оттуда, после чего началось контрнаступление Красной армии. К 11 декабря весь Дмитровский район был освобождён от захватчиков. В 1960-е—1980-е годы город застроен многоквартирными домами и приобрёл основные черты современного облика. В 1990-х жилищное строительство замерло, возобновившись в прежних масштабах лишь в начале 2000-х. К 850-летию города (2004) была проведена масштабная кампания по благоустройству и развитию города. В 2005 году Дмитров занял первое место во Всероссийском конкурсе «Самый благоустроенный город России» в категории «До 100 тыс. жителей».
