Первые поселения на территории Вельска появились в 862 году, когда в долине реки Ваги начали расселяться люди с новгородских земель. Они начали строить первые дома и заниматься земледелием, в скором времени новгородцы полностью выселили местные фино-угорские племена, которым пришлось обосноваться в глубине тайги среди лесов.
Основание города принято считаться за 1137 год, который упоминается в рукописи от князя Святослава. В данной бумаге он писал о сборе дани с местных жителей. В конце XIV века в одной из летописей город упоминается, как новообразовавшаяся волость под названием Вель.
Во второй половине XV столетия после продолжительной борьбы двух княжеств, волостью завладело княжество Московское. С 1550 года поселение вместо волости получило статус погоста по указу царя Ивана III.
В начале 1700-х годов город вновь входит в состав Архангельской губернии. После реформы, которую проводила Екатерина II при административном делении Русского государства город стал принадлежать Вологодскому наместничеству. Летом 1780 года по указу царицы в письменном виде Вельск получил официальный статус уездного города Вологодской области. Населения начало развивать сельское хозяйство города. Больше всего развивали отрасли земледелия и огородничества. Основой промышленности являлось смолокурение, которое ориентировалось на вывоз смол за границу.
В 1780 году у города появляется свой собственный герб. В нижней его части находился герб Вологодской губернии, а в верхней половине расположилась бочка дегтя в золотой оправе, которая символизировала традиционное занятие горожан.
Павел I в конце XVIII века сократил все наместничества, тем самым город и уезд вошли в Вологодскую губернию.
Торговля городских жителей в основном велась с Архангельском. Основной продукцией были разнообразные крупы - рожь, овес, а также льняное волокно и семя, и, конечно, смола. В Вельске проводились крупные торговые ярмарки, на которые съезжались купцы из Вологды, Москвы, Ярославля и Архангельска. Ценнейшими товарами ярмарки были кожа, посуд, табак и рыба.
К концу XIX века Вельск стал крупным центром про производству льна, деревопереработки, в результате которой получали смолу, дёготь и скипидар. В этот же временной период город стал местом ссылки политических деятелей. Здесь побывали видные революционеры России, писатели и народные защитники.
Во времена Великой революции в 1918 году в городе была утверждена власть большевиков. Однако, в 1920 году, местные жители - крестьяне подняли бунт и устроили восстание против нововведенной власти в городе. Но их права и голос не были приняты новым правительством.
После конца Октябрьской социалистической революции Вельск оставался территорией Вологодской области, но после её упразднения город присоединился к Северному краю. Это событие произошло в 1930 году, и Вельский уезд стал районом в составе Няндомского округа в границах Северного края.
В конце 1930-х годов Северный край был расформирован и город Вельск стал одним из многочисленных районных центров в составе Северной области России.
Статус центра муниципального Вельского района в составе Архангельской области город получил в сентябре 1937 года.
Во времена Второй Мировой войны Вельск являлся линией трудового фронта. Город принимал эвакуированных граждан, отправлял на фронт тысячи тонн зерна ежегодно, собирали денежные средства в фонд обороны и обмундирования армии страны. Более 16 000 человек были отправлены на фронт из города. Сотни жителей города были награждены боевыми наградами, несколько из них получили звания героев Советского Союза.