Vor allem mit den Römern, die die bis zu 68 Grad Celsius heißen Thermalquellen schätzten, kam Baden-Baden zu seiner Bedeutung. Nach der Besetzung der rechtsrheinischen Gebiete unter Kaiser Vespasian gründeten sie um die Mitte der 70er-Jahre n. Chr. zunächst ein Militärlager südlich der heutigen Altstadt bei der Realschule auf dem „Rettig“-Plateau. Nachdem von dort aus die Siedlung und Badeanlagen im Gebiet der Altstadt angelegt wurden, wich das Lager einem Repräsentationsbauwerk für Verwaltungszwecke. Der Ort trug den Namen Aquae (lateinisch für Wasser/Bad). Er entwickelte sich zum Militärkurbad und umfasste mehrere Bäder. Die Kaisertherme lag im Bereich der heutigen Stiftskirche. Laut einer Steininschrift ließ im Jahr 213 Kaiser Marcus Aurelius Antoninus (Caracalla) sie luxuriös ausbauen. Der Grundriss des Bauwerks ist im Pflaster des heutigen Marktplatzes markiert. Die Soldatenbäder befanden sich im Bereich des heutigen Friedrichsbades und die Ruinen sind öffentlich zugänglich. Der Kern der stadtartigen Siedlung befand sich nach aktuellem Kenntnisstand entlang des Rotenbachs. gemäß den Keramikfunden dürfte sich Aquae entlang einer gebogenen Straße etwa zwischen der Lange Straße 16 und der Gernsbacher Straße 42 aufgebaut haben. Dieser Aufbau war wahrscheinlich schon zur Gründungszeit um 75 n. Chr. vorhanden und später kamen wohl nur noch vereinzelte Häuser südlich davon hinzu. Des Weiteren deuten die Ausgrabungen auf die Existenz eines Weihebezirks südöstlich der Bäder (Römerplatz) sowie eines Schuttplatzes östlich des Orts im Rotenbachtal hin. Nachgewiesen sind zudem auch eine Garküche in der heutigen Gernsbacher Straße sowie ein Kanal, welcher vom Rotenbach kommend südlich entlang der Gernsbacher Straße verlief und zur Ableitung von Abwasser diente. Nordwestlich der Siedlung lag an der Oos beim heutigen Hindenburgplatz ein römisches Gräberfeld mit mehreren Grabdenkmälern sowohl von Militär- als auch von Zivilpersonen. Der Vicus war Hauptort einer selbstverwalteten Gebietskörperschaft. Diese wurde erstmals auf einer Inschrift von 197 n. Chr. als respublica Aquensis erwähnt. Ab 213/217 ist die Bezeichnung Civitas Aquensis aufgetaucht, welcher später noch den Beinamen Aurelia erhielt. Die Ausdehnung dieser Civitas ist unbekannt, sie wird in der mittleren Oberrheinebene und im Nordschwarzwald vermutet. Siehe auch: Aquae (Baden-Baden), Römische Badruinen Baden-Baden und Vicus Bibiensis. Um 260 n. Chr. eroberten die Alamannen die Gegend.

Um oder bald nach 500 kam das Gebiet unter fränkische Herrschaft und wurde Grenzort zum alemannischen Stammesgebiet, das südlich der Oos begann. Die erste urkundliche Erwähnung Baden-Badens ist umstritten. Laut einer oft als Fälschung des Hochmittelalters bezeichneten und nicht im Original erhaltenen Urkunde soll Merowingerkönig Dagobert III. im Jahr 712, nach anderer Deutung Dagobert II. im Jahr 675, die Mark samt ihren heißen Quellen dem Kloster Weißenburg geschenkt haben. Der Ort wird mit „balneas […] in pago Auciacensi sitas“ („im Oosgau gelegene Bäder“) und „balneis, quas dicunt Aquas calidas“ („Bäder, die sie Aquas calidas [heiße Quellen] nennen“) bezeichnet. Eine Urkunde aus dem Jahr 856 bezieht sich auf dieselbe Schenkung und ist ebenfalls umstritten. Der erste sichere nachantike Beleg ist eine Schenkungsurkunde Ottos III. aus dem Jahr 987, die den Ort „Badon“ nennt und erstmals eine Kirche erwähnt. Im Jahr 1046 wird erstmals das Marktrecht des Ortes erwähnt. Um 1100 wurde die Burg Hohenbaden erbaut. Graf Hermann II. aus dem Geschlecht der Zähringer erwarb das Gebiet um Baden-Baden Anfang des 12. Jahrhunderts und nannte sich im Jahre 1112 erstmals Markgraf von Baden bzw. Herr der Markgrafschaft Baden. 1245 wurde das Kloster Lichtenthal gegründet, das bis 1372 Grablege der Markgrafen von Baden war. Etwa zur selben Zeit (um 1250) erlangte Baden das Stadtrecht. Als solche wird Baden erstmals 1288 ausdrücklich genannt. Mit der Erlaubnis des Markgrafen Friedrich II. wurden ab 1306 die Thermalquellen für Bäder genutzt. Ende des 14. Jahrhunderts wurde auf dem Schlossberg eine Burg errichtet, sie bildet den Kern des heutigen Neuen Schlosses. Im Jahre 1417 besuchte König Sigmund die Stadt Baden. Im Jahre 1453 wurde sie Pfarrkirche in eine Stiftskirche umgewandelt und zur Grablege der Markgrafen. Im Jahre 1473 reiste Kaiser Friedrich III. zur Badekur und zum Fürstentag nach Baden. Unter Markgraf Christoph I. wurde 1479 die Residenz von der Burg Hohenbaden ins Neue Schloss verlegt.

Die erste Kurtaxe wurde 1507 erhoben, ein Kurdirektor kümmerte sich um den aufstrebenden Kurbetrieb. Ab 1500 lag die Stadt im Schwäbischen Reichskreis. Nach Teilung der Markgrafschaft Baden 1535 blieb das heutige Baden-Baden Residenzstadt der Bernhardinischen Linie des Herrscherhauses und Hauptstadt der Markgrafschaft Baden-Baden. Die Stadt war 1570 bis 1631 von Hexenverfolgung betroffen. 134 Menschen in der Stadt und ihren heutigen Ortsteilen gerieten in einen Hexenprozess, mindestens 102 kamen zu Tode. Die letzte Hinrichtung fand 1631 statt: Margaretha, Frau des Schlossers Jakob Dioniß. Während des Pfälzischen Erbfolgekrieges wurde Baden-Baden am 24. August 1689 von französischen Truppen niedergebrannt, in der Folge kam auch der Bäderbetrieb zum Erliegen. 1705 verlegte Ludwig Wilhelm von Baden-Baden die Residenz nach Rastatt; Baden-Baden blieb hingegen Amtsstadt. Mit dem Rastatter Kongress wurde Baden-Baden am Ende des 18. Jahrhunderts wiederentdeckt und in der Folge vom badischen Staat zum mondänen Kurort ausgebaut. Viele herrschaftliche Gäste machten den Ort zur „Sommerhauptstadt Europas“. Paris war die „Winterhauptstadt“. Es waren Luxushotels entstanden, das Kurhaus (1821 bis 1824) und die Spielbank (1810 bis 1811), die jedoch 1872 wieder geschlossen worden ist und von 1933 bis 1943 wieder geöffnet war. Internationale Pferderennen finden seit 1858 auf dem Rennplatz Iffezheim statt. Anfangs wurden diese vom frühen Tourismusunternehmer und Mäzen Edouard Bénazet veranstaltet und mit Einnahmen aus der Baden-Badener Spielbank, deren Pächter er war, finanziert. Im Jahr 1872 übernahm der im selben Jahr gegründete Internationale Club Baden-Baden die Organisation der Pferderennen. Im Jahre 1844 schloss die Badische Hauptbahn den Vorort Oos an das Eisenbahnnetz an. Mit der Stichbahn zum Stadtbahnhof erhielt 1845 auch der Kurort selbst seinen Bahnanschluss. Ab 1910 verkehrte die Straßenbahn Baden-Baden innerhalb der Stadt, die von 1949 bis 1971 durch Oberleitungsbusse abgelöst wurde. Der 1858 errichtete Musikpavillon Baden-Baden diente bis 1912 für Kurkonzerte. Heute steht an seiner Stelle die Kurmuschel. Im Jahre 1863 wurde der Kreis Baden errichtet, dem die Amtsbezirke Achern, Baden-Baden, Bühl, Rastatt und Gernsbach angehörten. Im Jahre 1924 war das Amt Baden aufgelöst worden, doch wurde Baden-Baden 1939 zum Stadtkreis erklärt.

Bei den Novemberpogromen 1938 wurde die Synagoge zerstört und zahlreiche Geschäfte und Wohnungen jüdischer Bürger vor den Augen der Polizei verwüstet und geplündert. Die jüdischen Bewohner wurden in das Konzentrationslager Dachau verschleppt, um sie zur Emigration zu nötigen und ihr Vermögen zu „arisieren“. Während des Zweiten Weltkrieges waren 4365 Menschen als NS-Zwangsarbeiter in den Lagern Baden-Baden, Steinbach, Malschbach und Sandweier interniert. Auf dem Friedhof Lichtental befindet sich ein Gedenkstein für die 235 sowjetischen Toten aus Malschbach. Baden-Baden zählte nicht zu den Schwerpunktzielen des strategischen Luftkriegs. Am 11. März 1943 wurde jedoch der Stadtteil Lichtental von Bomben getroffen, wobei die St. Bonifatiuskirche schwer beschädigt wurde und vollständig ausbrannte.[30] Nachdem am 17. Dezember 1944 auch der Stadtteil Balg von Bomben getroffen worden war, wurden am 30. Dezember 1944 bei einem Luftangriff auf den Stadtteil Oos rund 300 Häuser (d. h. rund ein Drittel von Oos) zerstört oder, wie z. B. auch die Ooser Kirche, schwer beschädigt. Am 2. Januar 1945 entstanden bei einem weiteren Luftangriff auf den Bahnhof Oos und die Kasernen an der Schwarzwaldstraße erneut ausgedehnte Schäden. Durch Luftangriffe wurde die Stadt zu insgesamt 3,1 Prozent zerstört. Dabei kamen insgesamt 125 Menschen ums Leben. Von den 1939 vorhandenen 9.615 Wohnungen wurden 296 (3,07 Prozent) vollständig zerstört und 557 (5,77 Prozent) schwer beschädigt, und bei Kriegsende mussten 79.000 Kubikmeter Trümmerschutt abgefahren werden.

Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde Baden-Baden Sitz der französischen Zonen-Regierung und Hauptquartier der Französischen Streitkräfte in Deutschland. Die Spielbank nahm 1950 ihren Betrieb wieder auf. Es entstand der Südwestfunk in Baden-Baden, dessen Nachfolger Südwestrundfunk noch heute einen wichtigen Teil seines Programms hier produziert. 1977 wurde die Stichbahn in den Stadtkern stillgelegt, und der Ooser Bahnhof erhielt den Namen Bahnhof Baden-Baden. 1981 war Baden-Baden Gastgeber der zweiten Landesgartenschau Baden-Württembergs. Im Jahre 1963 wurde in Baden-Baden eine IOC-Session und 1981 der elfte Olympische Kongress ausgerichtet. In beiden Tagungen standen ungeheure Probleme auf der Tagesordnung, die in Baden-Baden gelöst wurden und letztendlich den Fortbestand der Olympischen Spiele sicherten. Zudem wurde im Jahre 1981 die beiden Städte Calgary (Kanada) und Seoul (Südkorea) für die Olympischen Spiele 1988 als Austragungsstätten nominiert. Das Internationale Olympische Komitee (IOC) verlieh 1996 Baden-Baden den Titel Olympische Stadt für die Verdienste um die Olympische Bewegung. Baden-Baden ist damit die neunte Stadt weltweit, die mit diesem Titel ausgezeichnet wurde. Dessen äußeres Zeichen ist der von Pierre de Coubertin geschaffene „Olympic Cup“, den IOC-Präsident Juan Antonio Samaranch 1997 persönlich in Baden-Baden übergab. Seit 1992 wird in Baden-Baden der Deutsche Medienpreis verliehen. Mit dem bis 1999 vollzogenen Abzug der französischen Streitkräfte wurden in den westlichen Stadtgebieten große Grundstücks- und Gebäudeflächen für eine zivile Nutzung frei. Dort entsteht seither das neue Stadtviertel Cité. Am 3. und 4. April 2009 war Baden-Baden einer der Gastgeberorte des Gipfels zum 60. Jubiläum der NATO. Im Kurhaus fand ein Arbeitsessen der Staats- und Regierungschefs der Mitgliedsstaaten statt. Am 17. und 18. März 2017 trafen sich die Finanzminister und Notenbankgouverneure der G20-Staaten in Baden-Baden.

Baden-Baden galt während seiner Glanzzeit im 19. Jahrhundert als „Sommerhauptstadt Europas“ und zählte zu den europäischen Kurstädten von Weltrang, was sich in der städtebaulichen Entwicklung ausdrückte und bis heute im Stadtbild widerspiegelt. Vor diesem Hintergrund bewarb sich 2010 unter Federführung des Landesamtes für Denkmalpflege Baden-Württemberg die Stadt Baden-Baden gemeinsam mit anderen internationalen Kurorten unter dem Titel Bedeutende Kurstädte Europas (Great Spas of Europe) um Aufnahme in die Welterbeliste der UNESCO und wurde seit 2014 auf der Tentativliste geführt.[36] Nach einem längeren Prüfungs- und Auswahlprozess, bei dem mehrere Städte ausschieden und nach einer Neueinreichung des Welterbeantrags Anfang 2019, kam es während der 44. Sitzung des Welterbe-Komitees in Fuzhou (China) am 24. Juli 2021 zur Entscheidung der UNESCO, dass elf europäische Kurstädte in die Welterbeliste eingetragen werden, darunter Baden-Baden, neben den zwei anderen deutschen Kurorten Bad Ems und Bad Kissingen. Der Flächendenkmalschutz des Welterbes in Baden-Baden umfasst 230 Hektar mit vielen Einzelobjekten, umgrenzt von einer 2377 Hektar großen Pufferzone (Buffer Zone). Die Hauptgebiete liegen in der Altstadt mit dem historischen Bäderviertel, dem Kurviertel, den Villenvierteln Beutig-Quettig und Annaberg sowie den Vorstädten bis Lichtental. Zentrale Einzelobjekte des UNESCO-Welterbes sind 13 Thermalquellen, Gebäude, die mit den Heilquellen in Verbindung stehen (z. B. Friedrichsbad, Trinkhalle), Gebäude für Freizeit und Vergnügen (z. B. Konversationshaus, Theater, Kurhauskolonnaden), Unterkünfte (z. B. Hotel Badischer Hof, Villa Solms), Kirchen (z. B. Stiftskirche, Kloster Lichtental), Kurlandschaft (z. B. Schlossgarten, Lichtentaler Allee) und spezielle kurstädtische Infrastruktur (Molkenkur). Mit der Aufnahme in die Welterbeliste verpflichtete sich die Bundesrepublik Deutschland – über den bereits geltenden Denkmalschutz hinaus – die Welterbestätte in besonderem Maße zu schützen, zu pflegen und nachhaltige Entwicklungs- und Tourismuskonzepte umzusetzen. Alle Welterbestätten werden regelmäßig intern und von internationalen Fachgremien überprüft.