Các hiện vật khai quật tài Bàu Tró đã cho thấy người Việt đã đến định cư ở khu vực này từ 5000 năm.[7][8] Trải qua một thời kỳ dài trong lịch sử, đây là khu vực tranh chấp giữa Vương quốc Champa và Đại Việt.[9][10] Lịch sử Đồng Hới có thể xem bắt đầu từ thời kỳ Lý Thường Kiệt đưa quân vào dẹp loạn Chiêm Thành và xây dựng nơi đây thành trấn biên cho Đại Việt. Lịch sử đô thị Đồng Hới có lẽ được tính từ thời kỳ chúa Nguyễn Hoàng vượt dãy Hoành Sơn để tránh bị Chúa Trịnh tiêu diệt. Các đời Chúa Nguyễn sau này đã cho xây dựng Thành Đồng Hới để làm trấn biên phía bắc Đàng Trong chống lại các cuộc tấn công của Chúa Trịnh. Đào Duy Từ, một nhà chính trị, quân sự quê ở Thanh Hóa, đã đi theo Chúa Nguyễn vào Nam lập nghiệp và đã chỉ đạo xây dựng Thành Đồng Hới. Cùng với việc xây dựng thành là việc phát triển thị (chợ búa, dân cư) sinh sống trong và xung quanh khu vực thành. Ngày nay, dấu vết còn lại của Thành Đồng Hới và Quảng Bình Quan vẫn còn hiện diện.

Trong thời kỳ Pháp thuộc, Đồng Hới là một thị trấn nhỏ tỉnh lỵ của Quảng Bình. Nơi đây đã có trường Saint Marie. Trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp, quân đội Pháp đã sử dụng sân bay Đồng Hới để chống phá Việt Minh và Pathet Lào ở khu vực Bắc Trung Bộ và Trung Nam Lào. Trong thời kỳ Không quân Mỹ đánh phá miền Bắc Việt Nam, cũng như Quảng Bình, Đồng Hới bị bom B-52 của Không quân Mỹ tàn phá nặng nề[11][12]. Chứng tích của sự tàn phá này còn sót lại hiện nay có thể thấy là Nhà thờ Tam Tòa.

Sau năm 1975, tỉnh Quảng Bình hợp nhất với hai tỉnh Quảng Trị và Thừa Thiên thành tỉnh Bình Trị Thiên, thị xã Đồng Hới thuộc tỉnh Bình Trị Thiên, gồm 4 phường: Đồng Phú, Đồng Sơn, Hải Thành, Phú Hải.

Ngày 18 tháng 1 năm 1979, chuyển 5 xã: Nghĩa Ninh, Lộc Ninh, Lý Ninh, Đức Ninh, Bảo Ninh thuộc huyện Lệ Ninh về thị xã Đồng Hới quản lý[13].

Ngày 2 tháng 4 năm 1985, chuyển 2 xã Lương Ninh và Vĩnh Ninh thuộc huyện Lệ Ninh về thị xã Đồng Hới quản lý[14].

Ngày 13 tháng 6 năm 1986, chia xã Lộc Ninh thành 2 xã: Lộc Ninh và Quang Phú[15].

Sau khi tỉnh Bình Trị Thiên được tách ra như cũ vào ngày 30 tháng 6 năm 1989[16], thị xã Đồng Hới trở thành tỉnh lị Quảng Bình và được đầu tư nâng cấp cơ sở hạ tầng.

Ngày 29 tháng 9 năm 1990, chuyển 2 xã Lương Ninh và Vĩnh Ninh về huyện Quảng Ninh vừa tái lập.

Ngày 9 tháng 11 năm 1991, chia xã Lý Ninh thành 2 phường: Bắc Lý và Nam Lý.

Ngày 4 tháng 8 năm 1992, thành lập 2 phường Đồng Mỹ và Hải Đình từ một phần phường Đồng Phú.

Ngày 30 tháng 5 năm 1998, thành lập xã Thuận Đức trên cơ sở 4.322 ha diện tích tự nhiên và 2.412 nhân khẩu của phường Đồng Sơn; 206 ha diện tích tự nhiên và 238 nhân khẩu của phường Bắc Lý và 350 nhân khẩu của xã Đức Ninh đang xây dựng kinh tế mới ở phía tây phường Đồng Sơn[17].

Ngày 28 tháng 10 năm 2003, thị xã Đồng Hới được công nhận là đô thị loại III.

Ngày 2 tháng 1 năm 2004, Chính phủ ban hành Nghị định 07/2004/NĐ-CP[18]. Theo đó:

• Thành lập phường Đức Ninh Đông trên cơ sở 313,69 ha diện tích tự nhiên và 5.037 nhân khẩu của xã Đức Ninh.
• Thành lập phường Bắc Nghĩa trên cơ sở 776,10 ha diện tích tự nhiên và 6.220 nhân khẩu của xã Nghĩa Ninh.

Ngày 16 tháng 8 năm 2004, Chính phủ ban hành Nghị định 156/2004/NĐ-CP thành lập thành phố Đồng Hới trên cơ sở toàn bộ diện tích và dân số của thị xã Đồng Hới[19].

Thành phố Đồng Hới có 16 đơn vị hành chính cấp xã trực thuộc, gồm 10 phường và 6 xã.

Ngày 30 tháng 7 năm 2014, Thủ tướng Chính phủ ban hành Quyết định 1270/QĐ-TTg công nhận thành phố Đồng Hới là đô thị loại II trực thuộc tỉnh Quảng Bình.[20]

Ngày 10 tháng 1 năm 2020, sáp nhập phường Đồng Mỹ và phường Hải Đình thành phường Đồng Hải.[21]

Thành phố Đồng Hới có 9 phường và 6 xã như hiện nay.