Najstariji tragovi boravka ljudi na ovom području potiču iz paleolita i otkriveni su obližnjoj Petničkoj pećini. U prvim vekovima nove ere, prostor današnjeg Valjeva bio je u sastavu Rimske imperije, a po njenom raspadu u okvirima Vizantijskog carstva. Od sačuvanih pisanih dokumenata u kojima se spominje Valjevo, najstariji je otkriven u Dubrovačkom arhivu i datira iz 1393. godine. Valjevo je nastalo kao srednjоvekovni trg, na raskrsnici puteva koje su pohodili čuveni dubrovački trgovci.
Uspon Valjeva kao trgovinskog centra i naselja zaustavljen je 1459. godine kada je srednjovekovnu Srbiju osvojila Otomanska imperija. Od srednjovekovnog trga, Valjevo u 16. veku naseljavanjem muslimana postaje orijentalna kasaba. Iako je u periodima austrijsko-turskih ratova povremeno prelazilo u granice Habzburške monarhije ili bivalo pogranično mesto, Valjevo je sve do početka 19. veka uglavnom bilo deo Otomanskog carstva. Vojni planovi iz 18. veka pokazuju da se Valjevo već tada prostiralo na obe obale Kolubare, na mestu gde je i današnje gradsko jezgro. U putopisima iz tog perioda opisuju ga: Luj Žedeon (1624. godine), Evlija Čelebija (1660), Joakim Vujić (1826), Feliks Kanic (1860. i 1888) i drugi.
U centru grada, na desnoj obali Kolubare, nalazi se stara čaršija iz turskog vremena – Tešnjar, poreklom iz 17. veka, ali je današnji izgled s kraja 19. veka. Najstarija sačuvana zgrada u Valjevu je Muselimov konak iz 18. veka u kojem su bili zatočeni knezovi Aleksa Nenadović i Ilija Birčanin pre pogubljenja u februaru 1804. Ovaj događaj, poznat u srpskoj istoriji kao “seča knezova”, ubrzao je ustanak protiv viševekovne turske okupacije tako da sada Muselimov konak predstavlja Muzej Prvog i Drugog srpskog ustanka. Sa brežuljka iznad centra grada dominira Kula Nenadovića iz 1813. godine, koja je u to vreme služila kao barutana, a obnovio ju je 1836. godine knez Miloš Obrenović. Kula je restaurirana kao jedinstveni spomenik kulture.
Novija istorija Valjeva povezana je sa pokretima za nacionalno oslobođenje i svetskim ratovima. Valjevo je bilo prvo veće oslobođeno mesto u Prvom srpskom ustanku protiv Osmanlijskog carstva, 20. marta 1804. godine. Taj dan simbolizuje težnju Valjevaca za slobodom i smatra se početkom razvoja varoši evropske arhitekture i duha, tako da se obeležava kao Praznik Grada. Najveći urbanistički procvat i građanski uspon Valjevo je doživelo krajem 19. i početkom 20. veka kada su izgrađene zgrada Valjevske gimnazije, Opštinskog i Okružnog suda, Valjevske štedionice, hotela ”Grand” i ”Sekulić”…
U blizini Valjeva u Prvom svetskom ratu, 1914. godine, odigrala se Kolubarska bitka, kojom je komandovao general Živojin Mišić i u kojoj je srpska vojska žestoko porazila austrougarske trupe. Posle velike bitke ceo grad je pretvoren u ratnu bolnicu što je u slici ”Valjevska bolnica” ovekovečila slikarka Nadežda Petrović, umrla od tifusa u Valjevu 1915. negujući ranjenike. Ogromnu pomoć pružili su tada lekari i sestre stranih misija.
Drugi svetski rat ostavio je dubok trag na valjevski kraj. Prvi susret sa partizanima, vođa Komunističke partije Jugoslavije Josip Broz Tito imao je septembra 1941. u selu Robaje, nadomak Valjeva. Istovremeno, na obližnjoj Ravnoj Gori general vojske Kraljevine Jugoslavije Dragoljub Mihajlović formirao je četnički pokret lojalan monarhiji. Na brdu Vidrak iznad Valjeva dominira Spomenik borcima revolucije u liku Stjepana Filipovića, komuniste obešenog u Valjevu 1941. godine.
Od šezdesetih godina prošlog veka Valjevo je doživelo industrijsku ekspanziju otvaranjem više velikih privrednih objekata i razvojem namenske industrije ”Krušik” iz predratnog ”Vistada”, metaloprerade, prehrambene industrije, štamparstva, kožarstva, drvoprerade, poljoprivrednog zadrugarstva…
Valjevo je više puta bombardovano u napadima NATO avijacije 1999. godine.
Dvadeset prvi vek donosi optimizam za bolji i brži razvoj grada.