Первые упоминания о Магнит-горе (гора Высокая) относятся ко второй половине XVII века, однако систематическая добыча руды началась лишь с 1721 года. Акинфий Никитич Демидов (1678–1745) построил здесь два завода: Выйский медеплавильный (пущен 23 октября 1722 года) и Нижнетагильский чугуноплавильный и железоделательный (пущен 25 декабря 1725 года).
Пуск Выйского завода и считается датой основания города. В 1736 году из-за небольшого содержания меди в руде предприятие стало железоделательным. После открытия в 1814 году у подошвы горы Высокой Меднорудянского месторождения с 1820-х годов Выйский завод вновь занялся выплавкой меди.
Интересный факт: выплавленная на Выйском заводе медь использовалась при изготовлении знаменитой статуи Свободы, которая была подарена в 1889 году Францией к 100-летию образования США. Последняя же выплавка меди на Выйском заводе состоялась в 1916 году.
На Вые стояла Выйско-Николаевская церковь, освященная в 1846 году. Она служила фамильной усыпальницей Демидовых. В 1875 году сюда был перевезен прах П.Н. Демидова вместе с большим мраморным надгробием. В алтаре находилась дарохранительница из цельного куска малахита весом около 7 пудов. В 1930-е годы церковь закрыли и позже снесли. Мраморное распятие с надгробия П.Н. Демидова передали в историко-краеведческий музей.
Нижнетагильский чугуноплавильный и железоделательный завод стоял в 3 верстах от Выйского. Он был построен на реке Тагил близ горы Высокой. Эта гора в верхней части состояла из чистого железняка. Предприятие строилось как самый мощный чугуноплавильный завод на Урале. Пущенная в 1725 году доменная печь была крупнейшей на то время в Европе. Нижнетагильский завод был центром горнозаводской империи Демидовых. Готовую продукцию отвозили на Уткинскую пристань и отправляли в барках по реке Чусовой в Центральную Россию.
За века разработок на месте горы Высокой образовался большой карьер. В народе родилась поговорка: «Была гора Высокая, а стала яма глубокая». В советское время началась добыча руды подземным способом – в шахтах. Шахта «Магнетитовая» достигла глубины 610 м и работает до сих пор. Высокогорское железорудное месторождение – старейшее и крупнейшее на Урале.
В XVIII веке Нижнетагильский завод стал одним из самых больших заводов Европы с передовой технологией производства. Тагильское железо с демидовской маркой «Старый соболь» охотно покупали Англия, Голландия, Франция и Швеция.
В 1806 году Нижний Тагил стал центром Нижнетагильского Горнозаводского округа.
В 1834–35 годах на Меднорудянском месторождении были открыты богатые залежи малахита. В том числе был добыт уникальный монолит весом почти 40 т. Малахитом отделаны внутренние колонны Исаакиевского собора, Малахитовый зал Зимнего дворца в Санкт-Петербурге, выполнены огромные вазы, чаши, столешницы и прочие изделия.
В 1876 году через Нижний Тагил прошла Горнозаводская железная дорога. В 1897 году построена узкоколейная железная дорога, соединившая Нижний Тагил с Черноисточинским, Висимо-Шайтанским и Висимо-Уткинским заводами. Нижнетагильский завод посещали многие известные люди, в том числе цесаревич, будущий император Александр II в 1837 году.
Нижний Тагил связан с именами многих талантливых людей. В 1834 году на Выйском заводе крепостными изобретателями Ефимом Алексеевичем и Мироном Ефимовичем Черепановыми был построен первый в России паровоз для перевозки руды с Меднорудянского месторождения на завод. Отличался талантами и Егор Григорьевич Кузнецов-Жепинский, изготовивший «музыкальные дрожки» и оригинальные астрономические часы. Кроме того, по легенде именно нижнетагильский мастеровой Ефим Артамонов в начале XIX века сконструировал первый русский велосипед.
Нижний Тагил является родиной русского расписного железного подноса. Особенно прославились в этом деле художники Худояровы.
В начале XX века по численности населения (более 30 тысяч человек) и промышленному производству Нижний Тагил уступал лишь двум городам Пермской губернии – Екатеринбургу и Перми. Однако статус города он получил лишь в 1919 году.
«Громадное заводское селение Нижнего Тагила, отвечающее губернскому городу по числу жителей, производит совершенно особенное впечатление на человека, еще не освоившегося с типом того, что на Урале называют "заводом"», - писал посетивший Нижнетагильский завод в 1899 году Д.И. Менделеев.
В 1930-е годы в Нижнем Тагиле развернулось масштабное промышленное строительство. Были построены Уралвагонзавод, Новотагильский металлургический завод (впоследствии – НТМК), завод Пластмасс, Коксохимкомбинат. НТМК стал одним из самых крупных в России заводов черной металлургии – предприятием с замкнутым металлургическим циклом, выпускающим чугун, сталь, прокат и огнеупоры.
В годы Великой Отечественной войны Нижний Тагил принял ряд эвакуированных предприятий, была освоена выплавка броневой стали. В годы войны НТМЗ выдавал около 30% всей броневой стали в СССР. В 1941–45 годы в Нижнем Тагиле изготовили 35 тысяч танков Т-34.
В советское время старый демидовский завод назвали в честь В.В. Куйбышева. Последний чугун в его доменном цехе получили 6 октября 1987 года, после чего предприятие закрылось. Здесь создали музей-завод.
Ведущие предприятия города в настоящее время: Нижнетагильский металлургический комбинат (НТМК), Уралвагонзавод, Высокогорский горнообогатительный комбинат, Уралхимпласт, Нижнетагильский завод металлоконструкций. Вагоны УВЗ колесят по железным дорогам всей страны. Производят в Тагиле и оружие. На полигоне «Старатель» Института испытания металлов до 2015 года проходила крупная выставка вооружений Russia Arms Expo, пока ее не перенесли в Подмосковье.
Как следствие развитого промышленного производства, экологическая ситуация в Нижним Тагиле оставляет желать лучшего. Этот город давно славится своими цветными дымами. Сейчас, после закрытия одних производств и модернизации на других стало получше, но все равно далеко от нормы. Особенно ясно это понимаешь, когда проезжаешь по Вагонке и испытываешь першение в горле от ядовитого дыма. Еще один минус Нижнего Тагила: здесь много тюрем и колоний, что негативно сказывается на криминогенной обстановке. Жить в этом городе не хочется, а побывать в гостях обязательно стоит.
Площадь города 298,47 км². Нижний Тагил имеет три района: Дзержинский, Ленинский, Тагилстроевский. Численность населения Нижнего Тагила – 354 тысячи человек (2018 г.) и продолжает снижаться. Для сравнения в 1989 году здесь проживало около 440 тысяч человек.