Город основан в 1703 как Петровская слобода при строительстве по указу Петра I железоделательного и пушечно-литейного завода (закрыт в 1734 г.) при месторождении озёрной железной руды.
В 1773—74 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 1798 Александровскому заводу было дано исключительное право изготовления мер 
объёма (гири, весы, безмены, на которые ставился «секретный штампель» во избежание подделок). В 1777 Петровская слобода преобразована в уездный город Петрозаводск.
С 1781 центр Олонецкой провинции, 1784—1796 и с 1801 — Олонецкой губернии. С 1920 столица Карельской Трудовой Коммуны, в 1923—1991 столица Карельской АССР (в 1940—1956 Карело-Финская ССР). В 1916 через Петрозаводск проложена железная дорога Петроград — Романов-на-Мурмане (Мурманск). В 19 — начале 20 в. был известен как место политической ссылки.
Во время Великой Отечественной войны был оккупирован финскими войсками и сильно разрушен.
