Название «Полевской» образовалось от наименования местной реки Полевая.
В 1702 году Сергей Бабин, выходец из Арамильской слободы, и Кузьма Сулеев, житель Уткинской слободы, открыли месторождение медных руд близ реки Полевой (Гумешевский рудник) . В том же году думный дьяк А. А. Виниус, которому было поручено организовать строительство металлургических заводов на Урале, приехал в деревню Полевую и на Гумешевский рудник, и взял эти земли в ведение государства.
10 июня 1718 года отряд башкиров, во главе с Чубаром Балагушевым, напал на Гумешевский рудник. В итоге рудник был сожжён, поселение разрушено, часть людей убита, оставшиеся — разогнаны по всей округе. Через несколько лет рудник был полностью восстановлен, однако официальным годом основания Полевского, памятуя о башкирском разорении, принято считать 1718.
23 июня 1722 года Пётр I издал указ, в котором повелел управляющему Уральскими горными заводами В. И. де Геннину: «…за Чюсовой, у Полевых речек, построить медный завод, крепость и шанец для охранения этого завода…».
В 1723 году было начато строительство Полевского медеплавильного завода, давшего жизнь посёлку, будущем городу Полевскому. Через год завод выдал первую медь. Вскоре в округе была обнаружена железная руда, и в 1735 году на речке Северушке, в 7-и верстах от Полевского завода началось возведение Северского железоделательного завода, ставшего первоосновой посёлка Северский (ныне северная часть города).
В 1758 году, в соответствии с Указами Сената, Полевской и Северский заводы из ведения казны перешли в собственность соликамского купца Алексея Фёдоровича Турчанинова. Наряду с Сысертским заводом, Полевской и Северский заводы стали основой Сысертского горнозаводского округа.
В 1796 году, в результате губернской реформы, в состав Екатеринбургского уезда Пермской губернии были включены Полевская и Северская волости.
С образованием в 1923 году Уральской области был организован Полевской район. Вошедшие в его состав Полевской и Северский были отнесены к категории рабочих поселков.
Указом Президиума Верховного Совета РСФСР от 27 марта 1942 года Северский и Полевской были преобразованы в единый населенный пункт, Полевской получил статус города.
По итогам местных референдумов от 14 апреля и 16 июня 1996 года было создано муниципальное образование в современных границах.
