沈阳一名源于元成宗元贞二年（1296年）设置的沈阳路。因地处沈水（今浑河）之北（“水北为阳”）得名。春秋战国时期，沈阳成为燕国的属地，为归顺的肃慎氏所有。燕昭王十二年（公元前300年），燕国在此屯兵戍边，设立候城，为沈阳建城之始。秦，沈阳属辽东郡境。西汉时沈阳为中部都尉治所，已初具县邑规模。汉武帝元封三年（公元前108年）设玄菟郡。经魏晋至隋唐，沈阳地区部分属辽东郡，部分为玄菟郡所辖。三国时均为幽州辖地。
西晋时在今辽宁境设平州，辽河东、西分别为玄菟郡、昌黎郡辖境。东晋十六国时的前燕、前秦、后燕时，仍属玄竞郡。自北燕起，经南北朝到隋，辽河东被高勺丽割据。隋代在河西设置燕郡、辽东郡。唐总章元年（668年）后，隶安东都护府。景云年间（710—711），渤海国在今沈阳一带置沈州。辽神册六年（921年），在沈水北岸置三河县，后改为乐郊县，成为沈州兴辽军及昭德军的治所，其址就在今沈阳附近。金代，沈阳为沈州显德军治所。
元元贞二年（1296年），元改沈州为沈阳路，至此沈阳见于史册。明洪武五年（1372年）明军攻克沈阳，1386年改沈阳路为沈阳中卫。后金天命六年（1621年），后金努尔哈赤领兵攻占沈阳，1625年由辽阳迁都沈阳。天聪八年（1634年）升沈阳为盛京。清顺治元年（1644年）迁都北京后，以沈阳为陪都。顺治十四年（1657年）以“奉天承运”之意在沈阳古城区设奉天府，这是沈阳又名奉天的由来。光绪三十一年（1905年）在沈阳设奉天省。
民国初年属奉天省辽沈道。民国十二年（1923年）8月，奉天省划沈阳县城区及商埠地一带为市区，正式设立奉天市政公所，沈阳首次出现市的建制。民国十八年（1929年）4月2日奉天市改名为沈阳市。隶属辽宁省。1931年日本帝国主义发动“九·一八”事变并侵占沈阳，将沈阳市改为奉天市。1945年8月抗日战争胜利，八路军进驻沈阳，奉天市恢复沈阳市名称。同年10月成立沈阳市民主联合政府。1946年3月，国民党军队进驻沈阳并发起内战。
1948年11月2日，沈阳获得解放。11月3日，沈阳特别市政府成立，隶属东北行政委员会。同月20日，市政府决定将市内22个区合并为沈河、大东、北关、北市、南市、铁西、皇姑、和平8个区。1949年5月1日，沈阳特别市政府改为沈阳市人民政府。1949年沈阳市改为中央直辖市，隶属东北人民政府领导（1952年改为东北行政委员会）。1953年2月，苏家屯镇改为苏家屯区，沈阳市辖区增至9个。1954年8月11日，沈阳市改为辽宁省辖市。
1955年1月21日，沈阳市人民政府改称沈阳市人民委员会。1959年1月1日，辽宁省人民政府决定将原铁岭地区的铁岭、法库、康平、开原、昌图、西丰和原辽阳专区的沈阳、辽中、新民、台安10个县划归沈阳市领导，沈阳市共辖9个市区、10个县。同年2月24日，市人民委员会撤销北市、南市、北关3个区的建制，并入和平、沈河、大东等区。同年12月31日，撤销沈阳县建制，其所辖地区分别划入市内邻近各区，并设立新城子区。
1964年3月16日，中共辽宁省委决定设立沈阳专区，将沈阳市所辖的铁岭、法库、康平、昌图、开原、西丰、新民、辽中、台安9县划归沈阳专区领导。1964年3月24日，市人民委员会决定设立东陵、于洪两个郊区。1968年5月10日，沈阳市革命委员会成立。1969年12月26日、1970年1月1日，辽中县、新民县分别划归沈阳市领导。1980年4月19日，沈阳市革命委员会改为沈阳市人民政府。
1990年末，沈阳市位于东经122°25′-123°48′，北纬41°12′-42°17′之间。东临抚顺市和抚顺县，南与本溪、辽阳两市相连，西与台安县、黑山县接壤，北与彰武县、铁岭县和法库县毗邻。境内东西长105千米，南北宽85千米。全市总面积8515.4平方千米，总人口570.3万人。辖和平、沈河、大东、皇姑、铁西、苏家屯、东陵、新城子、于洪9区和新民、辽中、康平、法库4县以及468个镇、、63个乡、10个民族乡、112个街道。市人民政府在沈河区。
1992年12月12日，民政部（民行批[1992]160号）批准：将原由铁岭市管辖的康平县和法库县划归沈阳市管辖（1993年1月1日正式实施）。1993年6月14日，国务院批准撤销新民县，设立新民市（县级）。至此，沈阳市辖和平、沈河、大东、皇姑、铁西、于洪、苏家屯、东陵、新城子9个市区以及新民、辽中、法库、康平4个县（市）。
2000年第五次人口普查，沈阳市常住总人口7203717人，其中：和平区651874人，沈河区601444人，大东区645838人，皇姑区707994人，铁西区748834人，苏家屯区435342人，东陵区601489人，新城子区304230人，于洪区606008人，辽中县501627人，康平县324956人，法库县420362人，新民市653719人。
2002年6月，沈阳市总面积12941.82平方千米，总人口约727.71万人，辖9个市辖区、3个县，代管1个县级市，共有112个街道、68个镇、73个乡（其中10个民族乡），1309个社区、1943个行政村，市政府驻市府大路260号。
2002年初，沈阳市人民政府批准：将沈阳市东陵区前进乡的朱尔屯村、木匠屯村2个自然村划归大东区文官街道。2002年6月，沈阳市辖9个市辖区、1个县级市、3个县，112个街道、68个镇、73个乡（含10个民族乡），1309个社区、1943个行政村，面积12941.82平方千米，人口727.71万人（统计时间不详）。
2004年，辽宁省人民政府（辽政[2004]78号）批准：将沈阳市东陵区长白街道办事处（区域面积16.2平方千米，原由浑南新区代管）划归和平区（2003年实际变动）。2005年，东陵区五里河公园划归沈河区五里河街道管理。
2006年，民政部（民函[2006]300号）批复：经国务院批准，同意将沈阳市新城子区更名为沈北新区。2007年末，全市共辖212个乡级行政单位，包括111个街道、49个镇、45个乡、7个民族乡。其中，市辖区共辖129个乡级行政单位，包括106个街道、11个镇、10个乡、2个民族乡。
2010年第六次人口普查，沈阳市常住总人口8106171人，其中：和平区700992人，沈河区849267人，大东区782867人，皇姑区925176人，铁西区1017564人，苏家屯区474779人，东陵区411110人，沈北新区423323人，于洪区670843人，辽中县476081人，康平县316819人，法库县399587人，新民市657763人。
2014年6月17日，民政部（民函[2014]171号）批复：经国务院批准，同意将沈阳市东陵区更名为浑南区。2015年9月12日，《国务院关于同意辽宁省沈阳市人民政府驻地迁移的批复》（国函[2015]145号）：同意沈阳市人民政府驻地由沈阳市沈河区市府大路260号迁至沈阳市浑南区沈中大街206-3号市规划大厦3号楼。