远古时代（约2—4万年前），通化地域已有人类生存。通化县大安镇旧石器时代洞穴遗址，发现大量的古生物化石、骨器，如尖状器、刮削器等遗物和人类用火遗迹，均证明这里是旧石器时代人类生活居住的遗址。
新石器时代（约5—6千年前）早在6000多年前，通化市浑江两岸已有新石器时代的古人类，在渔猎稼穑，繁衍生息。随着历史的发展，通化地方的古人类经过长期相互影响，逐渐形成了华夏、肃慎、濊貊三大语族先世居住的地方。
西周初，通化为肃慎之南界，宣王时，在“肃慎、燕、毫吾北土”的“北土”境内封韩侯，主领当地濊貊民族。通化为韩侯领地。韩侯失国后，被商朝王族箕子建立的“箕子朝鲜”所统治的侯国并入，箕子侯国为周王朝册封的诸侯国，通化为周的领地。
东周（公元前770—前256年）时，通化为燕国辽东郡属地，座落在二道江区“北面是悬崖峭壁，下临浑江，东为桦树河渡口，南是桦树河，西是龙山山脉，面积约5万平方米的桦树河口古城遗址”。据考古专家依据出土文物测定，系战国至两汉时期的建筑。以王八脖子遗址为代表的青铜文化，反映了这一时期通化地域的文化风貌。
秦（前221—前206年）初，通化属辽东郡，秦统一中国后，燕人卫满亡命长白山以西，广收燕、齐、赵国躲避战乱的流民，建立“卫氏朝鲜”，通化属其辖境。
武帝元封三年（前108年），在辽东地区设玄菟郡，统高句丽、上殷台、西盖马三县。通化为幽州刺史部玄菟郡上殷台县。今通化市江北治安山城古遗址和通化县的赤板松古城遗址，皆为这一时期的重要历史遗存。
汉元帝建昭二年（前37年），扶余贵族朱蒙（邹牟）率卒攻占玄菟郡高句丽县，更国号为高句丽。初期都城为纥升骨城（今辽宁省桓仁五女山城）。元始三年（3年），迁都国内，筑尉那岩城。浑江流域是高句丽民族及其早期文化的核心发祥地。
东汉光武帝建武八年（32年），高句丽遣使奉献，要求臣属玄菟郡，是汉王朝郡国，通化为其控制之地。灵帝中平六年（189年），辽东太守公孙康自立为辽东侯，领辽东、玄菟等五郡。献帝建安十四年（209年），公孙康击高句丽，破其城，通化为公孙氏政权控制之地。
三国时期，魏文帝黄初元年（220年），公孙康臣服于魏，历三世约50年，通化为其辖地。魏明帝景初二年（238年），司马懿率兵斩公孙渊，通化遂入魏之版图。魏齐王正始五年（244年），因高句丽数次骚乱，叛服无常，幽州刺史母丘俭率步骑军万人征讨。大战于梁口（今通化县江口村），母丘俭陷丸都山城，并刻石碑留念。现石碑存辽宁省博物馆，自此通化复魏之管辖。
晋武帝泰始十年（274年），置平州辖辽东、玄菟、带方诸郡，通化仍属玄菟郡。
永嘉之乱后，北方先后出现少数民族割据的地方政权，通化曾为前燕、后燕之地域。座落柳河县境内的罗通山城，据考古专家依据出土文物推测，大约于此时期建筑。东晋之后，高句丽臣属中原各王朝。集安禹山墓区3319号墓出土的一批文物是这一时期的例证。
北魏始光四年（425年），高句丽迁都平壤。此时居住在长白山北部的肃慎族逐渐强大，建立勿吉国。通化地区北部为勿吉属地，南部为高句丽属地。隋朝，通化隶属关系不变。
唐贞观十八年（644年），太宗以讨弑逆、拯汉民、复旧疆、防后忧为由，诏谕天下伐高句丽。公元668年，总章元年灭高句丽政权。唐于辽东故地及高句丽旧壤设安东都护府，通化为河北道安东都护府哥勿州都督府管辖。光天二年（713年），唐册封大祚荣为渤海郡王，自此更名为渤海国。通化属渤海国西京鸭绿府正州，正州治所即今通化市境内。
契丹天显元年（926年），契丹灭渤海，更名东丹国，通化属之。
辽开泰六年（1017年），通化为东京道辽阳府正州所辖。
金时，金太祖灭辽，通化属金之东京路婆速府管辖。
金天兴三年（1234年），蒙古军陷金，东北全境为之管辖。通化属沈阳路。
元中统二年（1261年），于辽东设“总管高丽、女真、汉军万户府”通化属之。通化县大都岭镇出土了元朝左卫阿速亲军千户所印。至元二十四年（1287年），置辽阳行省，通化属辽阳行省辽阳路婆娑府。
明永乐七年（1409年），又增设奴尔干都司，下设卫、所，此时女真人不断南徒，通化为女真人主要集居地区，通化属奴尔干都司建州卫。
万历四十四年（1616年），建州卫都佥事努尔哈赤称汗，建立金（后金）政权，以赫图阿拉（今辽宁省新宾县老城）为都，通化地区为清王朝入关前的重要基地。
清顺治三年（1646年），清定都北京，在东北前后设置盛京、吉林、黑龙江将军，统帅官兵分地管辖，镇守边陲。顺治十四年（1657年），置奉天府，通化为奉天府管辖。
光绪三年（1877年）通化市设治，始称“通化”。
光绪三十四年（1908年），析置临江县、长白县、辑安县、柳河县。
民国二年（1913年），划归奉天东边道。民国二十年（1931年），为伪通化省省会。民国二十六年（1937年），属通化省。民国三十一年（1942年），析通化县通化街置通化市，属通化省。
民国三十四年（1945年），为伪满洲国首都。
民国三十七年（1948年），市、县分治，属安东省。
1949年，属辽东省。
1954年，设通化专区，专署驻通化市。原辽东省所属通化（驻通化市）、柳河、海龙、辉南（驻朝阳镇）、靖宇、抚松、长白、临江、辑安等9县划归通化专区。
1956年，原由省直辖的东丰县划归通化专区。辖10县。1958年原由省直辖的通化市划归通化专署领导。将东丰县划归四平专区。撤销长白县，设立长白朝鲜族自治县。海龙县迁驻梅河口镇。通化专区辖1市、8县、1自治县。
1960年，撤销通化县，并入通化市；撤销临江县，改设浑江市（驻八道江镇）。通化专区辖2市、6县、1自治县。
1962年，恢复通化县（驻通化市）。通化专区辖2市、7县、1自治县。
1965年，辑安县改名为集安县（驻集安镇）。
1970年，通化专区改称通化地区，地区驻通化市。辖通化、浑江（驻八道江镇）2市及通化（驻通化市）、抚松、柳河、海龙（驻梅河口镇）、辉南（驻朝阳镇）、集安、靖宇等7县和长白朝鲜族自治县。
1971年，通化县迁驻快大茂镇。通化地区辖2市、7县、1自治县。
1985年，撤销通化地区，实行市管县体制。通化市升格为地级市，并将通化地区的通化、集安2县划归通化市管辖。浑江市升格为地级市，并将通化地区的抚松、靖宇2县和长白朝鲜族自治县划归浑江市管辖。撤销海龙县，设立梅河口市（地级），以原海龙县的行政区域为梅河口市的行政区域，并将通化地区的辉南、柳河2县划归梅河口市管辖。
1985年，梅河口市改为县级市，将辉南、柳河2县划归通化市管辖。
1986年9月8日，设立通化市东昌区、二道江区。
1988年3月16日，撤销集安县，设立集安市（县级）。以原集安县的行政区域为集安市的行政区域。
1988年4月4日，县级集安市归通化市代管。