沈陽一名源于元成宗元貞二年（1296年）設置的沈陽路。因地處沈水（今渾河）之北（“水北為陽”）得名。春秋戰國時期，沈陽成為燕國的屬地，為歸順的肅慎氏所有。燕昭王十二年（公元前300年），燕國在此屯兵戍邊，設立候城，為沈陽建城之始。秦，沈陽屬遼東郡境。西漢時沈陽為中部都尉治所，已初具縣邑規模。漢武帝元封三年（公元前108年）設玄菟郡。經魏晉至隋唐，沈陽地區部分屬遼東郡，部分為玄菟郡所轄。三國時均為幽州轄地。

西晉時在今遼寧境設平州，遼河東、西分別為玄菟郡、昌黎郡轄境。東晉十六國時的前燕、前秦、后燕時，仍屬玄競郡。自北燕起，經南北朝到隋，遼河東被高勺麗割據。隋代在河西設置燕郡、遼東郡。唐總章元年（668年）后，隸安東都護府。景云年間（710—711），渤海國在今沈陽一帶置沈州。遼神冊六年（921年），在沈水北岸置三河縣，后改為樂郊縣，成為沈州興遼軍及昭德軍的治所，其址就在今沈陽附近。金代，沈陽為沈州顯德軍治所。

元元貞二年（1296年），元改沈州為沈陽路，至此沈陽見于史冊。明洪武五年（1372年）明軍攻克沈陽，1386年改沈陽路為沈陽中衛。后金天命六年（1621年），后金努爾哈赤領兵攻占沈陽，1625年由遼陽遷都沈陽。天聰八年（1634年）升沈陽為盛京。清順治元年（1644年）遷都北京后，以沈陽為陪都。順治十四年（1657年）以“奉天承運”之意在沈陽古城區設奉天府，這是沈陽又名奉天的由來。光緒三十一年（1905年）在沈陽設奉天省。

民國初年屬奉天省遼沈道。民國十二年（1923年）8月，奉天省劃沈陽縣城區及商埠地一帶為市區，正式設立奉天市政公所，沈陽首次出現市的建制。民國十八年（1929年）4月2日奉天市改名為沈陽市。隸屬遼寧省。1931年日本帝國主義發動“九·一八”事變并侵占沈陽，將沈陽市改為奉天市。1945年8月抗日戰爭勝利，八路軍進駐沈陽，奉天市恢復沈陽市名稱。同年10月成立沈陽市民主聯合政府。1946年3月，國民黨軍隊進駐沈陽并發起內戰。

1948年11月2日，沈陽獲得解放。11月3日，沈陽特別市政府成立，隸屬東北行政委員會。同月20日，市政府決定將市內22個區合并為沈河、大東、北關、北市、南市、鐵西、皇姑、和平8個區。1949年5月1日，沈陽特別市政府改為沈陽市人民政府。1949年沈陽市改為中央直轄市，隸屬東北人民政府領導（1952年改為東北行政委員會）。1953年2月，蘇家屯鎮改為蘇家屯區，沈陽市轄區增至9個。1954年8月11日，沈陽市改為遼寧省轄市。

1955年1月21日，沈陽市人民政府改稱沈陽市人民委員會。1959年1月1日，遼寧省人民政府決定將原鐵嶺地區的鐵嶺、法庫、康平、開原、昌圖、西豐和原遼陽專區的沈陽、遼中、新民、臺安10個縣劃歸沈陽市領導，沈陽市共轄9個市區、10個縣。同年2月24日，市人民委員會撤銷北市、南市、北關3個區的建制，并入和平、沈河、大東等區。同年12月31日，撤銷沈陽縣建制，其所轄地區分別劃入市內鄰近各區，并設立新城子區。

1964年3月16日，中共遼寧省委決定設立沈陽專區，將沈陽市所轄的鐵嶺、法庫、康平、昌圖、開原、西豐、新民、遼中、臺安9縣劃歸沈陽專區領導。1964年3月24日，市人民委員會決定設立東陵、于洪兩個郊區。1968年5月10日，沈陽市革命委員會成立。1969年12月26日、1970年1月1日，遼中縣、新民縣分別劃歸沈陽市領導。1980年4月19日，沈陽市革命委員會改為沈陽市人民政府。

1990年末，沈陽市位于東經122°25′-123°48′，北緯41°12′-42°17′之間。東臨撫順市和撫順縣，南與本溪、遼陽兩市相連，西與臺安縣、黑山縣接壤，北與彰武縣、鐵嶺縣和法庫縣毗鄰。境內東西長105千米，南北寬85千米。全市總面積8515.4平方千米，總人口570.3萬人。轄和平、沈河、大東、皇姑、鐵西、蘇家屯、東陵、新城子、于洪9區和新民、遼中、康平、法庫4縣以及468個鎮、、63個鄉、10個民族鄉、112個街道。市人民政府在沈河區。

1992年12月12日，民政部（民行批[1992]160號）批準：將原由鐵嶺市管轄的康平縣和法庫縣劃歸沈陽市管轄（1993年1月1日正式實施）。1993年6月14日，國務院批準撤銷新民縣，設立新民市（縣級）。至此，沈陽市轄和平、沈河、大東、皇姑、鐵西、于洪、蘇家屯、東陵、新城子9個市區以及新民、遼中、法庫、康平4個縣（市）。

2000年第五次人口普查，沈陽市常住總人口7203717人，其中：和平區651874人，沈河區601444人，大東區645838人，皇姑區707994人，鐵西區748834人，蘇家屯區435342人，東陵區601489人，新城子區304230人，于洪區606008人，遼中縣501627人，康平縣324956人，法庫縣420362人，新民市653719人。

2002年6月，沈陽市總面積12941.82平方千米，總人口約727.71萬人，轄9個市轄區、3個縣，代管1個縣級市，共有112個街道、68個鎮、73個鄉（其中10個民族鄉），1309個社區、1943個行政村，市政府駐市府大路260號。

2002年初，沈陽市人民政府批準：將沈陽市東陵區前進鄉的朱爾屯村、木匠屯村2個自然村劃歸大東區文官街道。2002年6月，沈陽市轄9個市轄區、1個縣級市、3個縣，112個街道、68個鎮、73個鄉（含10個民族鄉），1309個社區、1943個行政村，面積12941.82平方千米，人口727.71萬人（統計時間不詳）。

2004年，遼寧省人民政府（遼政[2004]78號）批準：將沈陽市東陵區長白街道辦事處（區域面積16.2平方千米，原由渾南新區代管）劃歸和平區（2003年實際變動）。2005年，東陵區五里河公園劃歸沈河區五里河街道管理。

2006年，民政部（民函[2006]300號）批復：經國務院批準，同意將沈陽市新城子區更名為沈北新區。2007年末，全市共轄212個鄉級行政單位，包括111個街道、49個鎮、45個鄉、7個民族鄉。其中，市轄區共轄129個鄉級行政單位，包括106個街道、11個鎮、10個鄉、2個民族鄉。

2010年第六次人口普查，沈陽市常住總人口8106171人，其中：和平區700992人，沈河區849267人，大東區782867人，皇姑區925176人，鐵西區1017564人，蘇家屯區474779人，東陵區411110人，沈北新區423323人，于洪區670843人，遼中縣476081人，康平縣316819人，法庫縣399587人，新民市657763人。

2014年6月17日，民政部（民函[2014]171號）批復：經國務院批準，同意將沈陽市東陵區更名為渾南區。2015年9月12日，《國務院關于同意遼寧省沈陽市人民政府駐地遷移的批復》（國函[2015]145號）：同意沈陽市人民政府駐地由沈陽市沈河區市府大路260號遷至沈陽市渾南區沈中大街206-3號市規劃大廈3號樓。