Хотя район Токио населяли племена ещё в каменном веке, активную роль в истории город стал играть сравнительно недавно. В XII веке местным воином Эдо Таро Сигенадой здесь был построен форт. Согласно традиции, имя Эдо он получил по месту проживания (江戸, «вход в залив»). В 1457 году Ота Докан, правитель области Канто при японском сёгунате, построил замок Эдо. В 1590 году им завладел Иэясу Токугава, основатель клана сёгунов. Таким образом, Эдо стал столицей сёгуната, имперской столицей же оставался Киото. Иэясу были созданы долговременные институты управления. Город быстро рос и к XVIII веку стал одним из крупнейших городов мира. В 1615 году армии Иэясу уничтожили своих противников — клан Тоётоми, получив тем самым, абсолютную власть на протяжении около 250 лет.
В результате реставрации Мэйдзи в 1868 году сёгунату пришёл конец, в сентябре император Муцухито перенес сюда столицу, назвав её «Восточная столица» — Токио. Это породило дебаты, может ли Киото по-прежнему оставаться столицей. Во второй половине XIX века стала бурно развиваться промышленность, затем и судостроение. В 1872 году построена железная дорога Токио—Иокогама, в 1877 — Кобэ—Осака—Токио.
До 1869 года город назывался Эдо.
1-го сентября 1923 года в Токио и окрестностях произошло крупнейшее землетрясение (7—9 баллов по шкале Рихтера). Почти половина города была разрушена, разразился сильный пожар. Жертвами стали около 90 000 человек. Хотя план реконструкции оказался очень дорогим, город стал частично восстанавливаться. Город вновь серьёзно пострадал во время Второй мировой войны. Город подвергался массированным воздушным атакам. Только при одном рейде погибли более 100 000 жителей. Множество деревянных строений сгорело, пострадал старый Императорский дворец. После войны Токио был оккупирован военными, во время Корейской войны он стал крупным военным центром. Здесь по-прежнему остались несколько американских баз (военная база Ёкота и др).
В середине XX века в экономика страны стала стремительно возрождаться (что было охарактеризовано как «Экономическое чудо»), в 1966 году она стала второй крупнейшей экономикой в мире. Возрождение от военных травм доказало проведение в Токио в 1964 году Летних Олимпийских игр, где город выгодно показал себя на международной арене.
С 70-х годов Токио захлестнула волна рабочей силы из сельских районов, что повлекло за собой дальнейшее развитие города. К концу 80-х годов он стал одним из самых динамически развивающихся городов на Земле.
20 марта 1995 года в токийском метро произошла газовая атака с использованием зарина. Теракт проведён религиозной сектой Аум Синрикё. В результате пострадало свыше 5 000 человек, 11 из них погибло.
Сейсмическая активность в районе Токио привела к началу дискуссий о переносе столицы Японии в другой город. Названы трое кандидатов: Насу (300 км к северу), Хигасино (недалеко от Нагано, центральная Япония) и новый город в провинции Миэ, недалеко от Нагои (450 км западнее Токио). Уже получено решение правительства, хотя более никаких дальнейших действий не предпринимается.
В настоящее время Токио продолжает развиваться. Последовательно претворяются в жизнь проекты по созданию искусственных островов. Самым заметным проектом является Одайба, который сейчас является основным торговым и развлекательным центром.
