Pháo đài Chelyaba, tên thành phố lấy từ tên pháo đài này, được xây dựng trên ở khu vực này vào năm 1736, thành phố được thành lập vào năm 1781. Khoảng năm 1900, thành phố phục vụ như một trung tâm để xây dựng tuyến đường sắt xuyên Xibia. Theo số liệu thống kê chính thức dân số ngày 1 tháng 1 năm 1913 là 45.000 cư dân.

Trong một vài tháng trong cuộc nội chiến Nga, Chelyabinsk đã bị các lực lượng Bạch vệ và những người lính lê dương Tiệp Khắc chiếm đóng, trở thành một trung tâm cho các mảnh vỡ của các tình nguyện viên quân đoàn Rumani ở Nga. Thành phố sau đó rơi vào tay lực lượng Bolshevik Nga. Trong những thập kỷ sau khi cuộc nội chiến của Phần Lan vào năm 1918, khoảng 15.000 người Phần Lan "Đỏ" đào thoát vào Liên Xô. Hầu hết trong số họ đã được chuyển đến Chelyabinsk qua đường sắt. Năm 1938, trong cuộc Đại Thanh trừng, một phần trong số họ đã bị hành quyết, số còn lại bị trục xuất. Ngôi mộ tập thể của họ là nằm gần mỏ vàng cũ Gora Zolonyi, và ngày nay mang một đài tưởng niệm nhỏ.

Trong thời kỳ công nghiệp hóa của Liên Xô những năm 1930, Chelyabinsk trải qua thời kỳ tăng trưởng nhanh chóng. Một số cơ sở công nghiệp, bao gồm cả nhà máy kéo Chelyabinsk và Nhà máy luyện kim Chelyabinsk đã được xây dựng tại thời điểm này. Trong Thế chiến II, Joseph Stalin đã quyết định chuyển một phần lớn các nhà máy sản xuất của Liên Xô đến những nơi ra khỏi con đường tiến quân đội Đức vào cuối năm 1941. Điều này mang lại các ngành công nghiệp mới và hàng ngàn người lao động đến Chelyabinsk-vẫn cơ bản là một thành phố nhỏ. Nhiều cơ sở rất lớn để sản xuất xe tăng T-34 và tên lửa Katyusha phóng tồn tại ở Chelyabinsk, mà đã trở thành được gọi là "Tankograd" (Thành phố xe tăng). Chelyabinsk cơ bản được xây dựng từ đầu trong thời gian này. Một thị trấn nhỏ tồn tại trước thời điểm này, các dấu hiệu trong đó có thể được tìm thấy ở trung tâm của thành phố. Nhà máy S.M. Kirov số 185 di chuyển ở đây từ Leningrad để sản xuất các xe tăng hạng nặng được chuyển đến Omsk sau năm 1962.

Chelyabinsk đã có một hiệp hội (từ những năm 1940) với nghiên cứu hạt nhân bí mật, mặc dù điều này là đúng cách áp dụng Chelyabinsk Oblast như một toàn thể, như cơ sở hạt nhân như Chelyabinsk-70 (Snezhinsk), hoặc, nằm xa bên ngoài thành phố. Một tai nạn hạt nhân nghiêm trọng xảy ra vào năm 1957 tại các nhà máy tái chế nhiên liệu hạt nhân Mayak, 150 km về phía tây bắc của thành phố, gây ra các ca tử vong ở tỉnh Chelyabinsk nhưng không phải trong thành phố. Tỉnh đã đóng cửa tất cả các người nước ngoài cho đến năm 1992.