Hoewel de vroege sporen van nederzettingen getoond hebben dat de vroege Arnhemmers zijn afgedaald uit de hoger gelegen bossen, is Arnhem oorspronkelijk niet gebouwd op de oevers van de Rijn, maar op het hoger gelegen deel langs de Sint-Jansbeek. Arnhem ontstond op de plek waar de weg tussen Nijmegen en Utrecht/Zutphen zich splitste. Zeven sprengbeken voorzagen de stad van water en pas toen de loop van de Rijn in 1530 door de Arnhemmers verlegd werd kwam Arnhem aan de rivier te liggen.

De nederzetting kreeg op 13 juli 1233 stadsrechten van graaf Otto II van Gelre, de graaf van Zutphen. Arnhem had in de 13e eeuw 2000 tot 3000 inwoners, die binnen de vestingwallen van de huidige binnenstad woonden. Hoewel Arnhem al voor de stadsrechtsverlening een vorm van verdediging had, groeide deze in 1291 uit tot stadsmuur, die in 1505, 1519 en 1533 werd uitgebreid om ten slotte in de 19e eeuw te worden afgebroken. De stad Arnhem was daarmee de eerste vestingstad van het Koninkrijk die haar muren mocht slechten.

Al in 1543 was Arnhem de belangrijkste stad in Gelre door de vestiging van het gerecht en de rekenkamer. Meer officieel werd de stad in 1579 het eerst de Gelderse hoofdstad, toen ze zich als hoofdstad van het Kwartier van Veluwe in het Hertogdom Gelre bij de Unie van Utrecht voegde. In 1585 voegde Arnhem zich, als hoofdstad van het gewest Gelre, bij de Republiek der Zeven Verenigde Nederlanden. In 1817 werd het de hoofdstad van de provincie Gelderland in het Verenigd Koninkrijk der Nederlanden.

Tijdens de 2e helft van de 19e eeuw groeide Arnhem sterk en was het de snelst groeiende stad van het land. Ook in de vorige eeuw 20e eeuw is Arnhem sterk uitgebreid. Voor de 21e eeuw heeft het stadsbestuur ook diverse grootse stedenbouwkundige plannen, met name voor het na-oorlogse wederopbouwgebied in de zuidelijke binnenstad (Rijnboogplan). Een nieuw centraal station en de herinrichting van de omgeving met woon-/winkel-/werk- en ontspanningsfuncties zal medio najaar 2015 gereed zijn.

De stad Arnhem is tijdens de Slag om Arnhem in de Tweede Wereldoorlog grotendeels door bombardementen van zowel de Duitse als de geallieerde zijde verwoest. Ook werd de stad geplunderd door de Duitse bezetters toen deze de stad in 1944 lieten ontruimen.