В 1721 году была начата разработка магнитного железняка на горе Высокая. Также в этом году началось строительство чугуноплавильного и железоделательного завода, которые принадлежали семье Демидовых. 8 октября ( 19 по другому календарю) 1722 года Выйский медеплавильный завод, также принадлежащий Демидовым, выпустил свою первую продукцию. Именно этот день считается официальной датой основания Нижнего Тагила.
В XIX веке неподалеку от заводского поселка было открыто меднорудное месторождение, оно было самым крупным по тем временам на территории России. Также в середине столетия был найден малахит, были открыты предприятия по обработке камня и производству лакированных подносов. Существует легенда, что при возведении статуи свободы в Гудзонском заливе использовалась тагильская медь.
В 1834 году механики отец и сын Черепановы построили первые российские паровозы. В середине XIX века Нежнетагильский заводской поселок стал центром Нижнетагильского горнозаводского округа. Здесь были обнаружены месторождения золота, платины, драгоценных и поделочных камней. В 70-х годах девятнадцатого века была проложена железная дорога.
Для развития культуры будущего города Демидовы заложили хорошую основу. В конце XIX века в поселке появился музей естественной истории и древностей, в котором находились уникальные экспонаты. Также открылась первая библиотека. Выплавка металла с маркой «Старый соболь» привнесла новые культурные традиции, такие как лаковая роспись по металлу и тагильские подносы.
В 1894 году в шахтах Нижнего Тагила работало более 1300 жителей, а на заводах трудились около 3500 рабочих. К началу XX века в Нижнем Тагиле уже было два театра, купеческий клуб, обсерватория, позже открылись два кинотеатра.
В 1919 году Нижний Тагил получил статус города, в следующем году — административный центр уезда, а в 1923 году был назван административным центром Нижнетагильского округа, который существовал до 1930 года. В 20-30 годы открывались библиотеки, клубы, кинотеатры. Также проводилась реконструкция объектов промышленности, которые были разрушены во время Гражданской войны. К концу 1930 годов в городе находились 19 школ, два техникума и две больницы, открылся учительский институт. Также были запущены трамвайные маршруты, а Нижнетагильский металлургический завод выпустил первую продукцию.
Во времена Великой Отечественной войны промышленность был основной деятельностью в городе. 11 производств, которые были эвакуированы с западных областей СССР, было развернуто в Нижнем Тагиле. Предприятия города приступили к производству ферромарганца, феррохрома, применяемых при изготовлении специальных сталей. За время войны было выпущено 35 000 танков Т-34.
Также во времена Великой Отечественной войны сделан большой шаг в развитие культуры. Вклад внесли эвакуированные из блокадного Ленинграда представители технической и творческой интеллигенции. Благодаря их усилиям открылась своя художественная школа живописи, театр кукол и музей изобразительного искусства.
В послевоенные годы промышленность продолжала развиваться. Построились много крупных промышленных объектов — предприятия химической, металлургической, горнодобывающей и пищевой промышленности. Также развивалась городская инфраструктура — были открыты дворец культуры металлургов, драматический театр. Начали свою работу два техникума, десятки детских садов, более тридцати школ. Промышленный рост способствовал быстрому увеличению численности населения.
В 1977 году объем городского производства увеличился в 315 раз по сравнению с показателем 1913 года. В конце 70-х годов XX века предприятиями Нижнего Тагила было произведено половина рельсов СССР, четверть железнодорожных вагонов, более трети цельнокатаных колес подвижного состава. Нижнетагильский вагоностроительный и танковый завод считался одним из крупнейших промышленных предприятий мира.
Знаменитые танки Т-72 были построены здесь. Предприятия Нижнего Тагила производили сталь, чугун, металлопрокат, химические продукты, отопительные радиаторы, магистральные грузовые вагоны и танки, стиральные машины, медицинские инструменты и другое.
Но в 1990-х годах начался спад промышленного производства, что повлекло за собой снижение уровня жизни жителей города.