沈阳农业大学后山旧石器时代遗址的考古发掘和科学研究证实，11万年前，沈阳地区就有人类活动。7200年前，沈阳的先民们创造出新乐文化。战国时期，燕国设置辽东郡，名将秦开在此屯兵戍边。秦及汉初，沈阳属辽东郡。西汉设候城县，为中部都尉治，汉武帝时属玄菟郡。三国魏景初二年（238），候城县废，其地仍属玄菟郡。公元4世纪初至唐初，一度为高句丽族割据统治。唐贞观十九年（645）设盖州，其后属安东都护府管辖地。唐后至明以前，为诸个少数民族政权统治。五代至北宋时期为辽地。辽神册六年（921），设沈州并建城，后为金统治地，金末沈州城毁于兵火。元中统三年（1262）重设沈州，元贞二年（1296），改沈州为沈阳路，重筑土城，这是历史上第一次以“沈阳”为地名的称谓。明洪武十九年（1386）设立沈阳中卫（又称“沈阳卫”）、左卫和右卫，沈阳中卫一直保留到明末。沈阳中卫辖抚顺、蒲河两个千户所。
后金天命十年（1625），努尔哈赤从辽阳迁都沈阳。天聪八年（1634），皇太极改沈阳为“谋克敦”，汉文写作“天眷盛京”（简称“盛京”）。天聪十年（1636）皇太极改国号为清。清顺治元年（1644）迁都顺天府（今北京）后，以盛京为陪都，并设“昂邦章京”即“盛京将军”，统辖驻军，坐镇地方。顺治十四年（1657），于盛京置奉天府，管理地方事务。清初奉天府辖承德、盖平、开原、铁岭四县，辽阳州和锦州府及所属州县。光绪三十三年（1907），改盛京将军为东三省总督；改盛京为奉天，建奉天省，省治奉天府。光绪年间，奉天府所辖增至5府（锦州府、昌图府、新民府、海龙府、洮南府）、4厅、6州、26县。从康熙三年（1664）设附郭承德县始，清代在现沈阳地区先后设治有康平县、兴仁县、新民厅（府）、法库厅、辽中县。光绪三十四年（1908）移兴仁县治于抚顺，改为抚顺县。宣统三年（1911）废承德县，并入奉天府。1913年，民国政府废府改县，奉天府改为沈阳县；新民府、法库厅改为新民县和法库县。1923年沈阳建市，成立奉天市政公所，奉天市与沈阳县同属奉天省管辖。1929年，改奉天省为辽宁省，奉天市改称沈阳市，归辽宁省管辖。
1931年九一八事变后，沈阳沦为日本殖民地。
1945年8月，抗日战争胜利，恢复辽宁省、沈阳市名称。10月，沈阳市临时人民政府成立。11月底应苏军要求撤出市区，国民政府随即接收市政。市区先后重新划为11个区、17个区和22个区。1946年3月，沈阳市和沈阳、新民、辽中、法库4县均属辽宁省管辖。8月，沈阳市由省辖改为国民党政府行政院直辖。
1948年11月，沈阳解放，沈阳特别市政府成立，隶属东北行政委员会。将市内实际划定的22个区合并为8个区，沈阳县归沈阳市辖。1949年5月，沈阳特别市政府改为沈阳市人民政府，隶属东北人民政府领导。1953年3月，沈阳市改为中央直辖市，1954年8月，改为辽宁省辖市。1956年，沈阳市辖北市、沈河、北关、大东、南市、和平、铁西、皇姑、苏家屯区和沈阳县。同年11月，沈阳县划归辽阳专区管辖。1959年，撤销北市、南市、北关3个区的建制，设立新城子区；增辖铁岭、法库、康平、开原、昌图、西丰、沈阳（当年底撤销划入沈阳邻近区）、辽中、新民、台安10县。1964年3月，增设2个郊区（1986年，郊区按市区管理）；所辖县划归沈阳专区。1969年末和1970年初，辽宁省辖的辽中县和新民县分别划归沈阳市。1984年，国务院批准沈阳市为计划单列市，享受省级的经济管理权限。1993年1月，铁岭市管辖的康平县、法库县划归沈阳市。同年7月，撤销新民县，设立新民市（县级）。1994年，经中共中央、国务院同意沈阳市成为副省级省辖市。2006年10月8日，经民政部批准，新城子区更名为沈北新区。2014年6月17日，经民政部批准，东陵区更名为浑南区。2016年1月7日，经国务院同意，撤销辽中县，设立辽中区。截至2021年末，沈阳市辖13个县级政区，即和平、沈河、大东、皇姑、铁西、苏家屯、浑南、沈北、于洪、辽中10个市辖区，新民1个县级市，康平、法库2个县；下设181个乡级政区，即112个街道、53个镇、16个乡。
