Основан в 1703 г. как Петровская слобода при строительстве по указу Петра I железоделательного и пушечно-литейного завода (закрыт в 1734 г.) при месторождении озёрной железной руды. Пётр I неоднократно бывал здесь, для него был выстроен двухэтажный дворец. Кроме этого завода в слободе действовали небольшие медеплавильный и металлообрабатывающий заводы.
В 1773-74 гг. в связи с русско-турецкой войной выше по течению р. Лососинка построен Александровский пушечно-литейный завод, где наряду с производством военной продукции были налажены художественное литьё и художественная обработка металлов. В 1791 г. завод посещал А.В. Суворов. В 1798 г. Александровскому заводу было дано исключительное право изготовления мер объёма (гири, весы, безмены, на которые ставился "секретный штампель" во избежание подделок). В конце 18 - начале 19 вв. это был один из наиболее технически оснащённых заводов России.
В 1777 г. Петровская слобода преобразована в уездный город Петрозаводск. С 1781 г. центр Олонецкой провинции, 1784-1796 гг. центр Олонецкого наместничества, с 1801 г. - центр Олонецкой губернии.
В 1856 г. в губернском городе Петрозаводск Олонецкой губернии насчитывалось 7 церквей, 862 дома, 57 лавок.
В 1861 г. установлено регулярное пароходное сообщение с Петербургом.
В 1916 г. через Петрозаводск проложена железная дорога Петроград - Романов-на-Мурмане (Мурманск).
В 19 - начале 20 в. был известен как место политической ссылки, сюда были сосланы поэт Ф.Н. Глинка (1786-1880), друг М.Ю. Лермонтова С. Раевский, фольклорист П.Н. Рыбников (1831-85).
С 1920 г. столица Карельской Трудовой Коммуны, в 1923-1991 гг. столица Карельской АССР (в 1940-1956 гг. Карело-Финская ССР).
Во время Великой Отечественной войны 1941-45 был оккупирован финскими войсками 2 октября 1941 г. Освобождён 28 июня 1944 г. войсками Карельского фронта в ходе Свирско-Петрозаводской операции. Был сильно разрушен.
В 1977 г. в черту города вошёл рабочий посёлок Соломенное (6.9 тыс. жит., 1959; 7.3 тыс. жит., 1970).
В 1972 г. созданы а в 1988 г. упразднены Ленинский и Октябрьский районы города Петрозаводска.
