In alten Veröffentlichungen wird berichtet, dass sich auf dem Gelände der späteren Harzburg bereits 300 vor Christi Geburt eine Burg mit Namen Saterburg oder Saturburg sowie ein Idol des Abgottes Krodo befunden habe. Beides soll Karl der Große im Jahr 780 zerstört haben und an dem Ort eine Kapelle errichten lassen haben. Dies lässt sich historisch nicht nachweisen. Gesichert ist jedoch die Gründung eines Stifts im Jahr 916. Zwischen 1066 und 1068 ließ Heinrich IV. die Harzburg erbauen. Die heutigen Ortsteile Bettingerode (1013) und Harlingerode (1053) wurden erstmals im 11. Jahrhundert überliefert, Göttingerode (1163), Westerode (1174) und Schlewecke (1180) erstmals im 12. Jahrhundert und Bündheim (1251) im 13. Jahrhundert. Zu dieser Zeit versuchten auch die Grafen von Wernigerode, ihren Einfluss im Harzgau nach Westen auszuweiten: Bereits 1249 erwarben sie Bovingerode, das 1254 um einen Wirtschaftshof erweitert wurde und letztendlich den Beginn eines stärkeren Eingriffs in das Amt Harzburg darstellt. Am 1. Mai 1269 wurde der Harzburger Raum an die Grafschaft Wernigerode verpfändet. Das Spätmittelalter war im Bad Harzburger Raum geprägt von einer starken Wüstungswelle. Im 13. bis 15. Jahrhundert wurden unter anderem die Ortschaften Bovingerode, Döringerode, Göttingerode, Wanlefsrode und Wenderode auf dem Gebiet der heutigen Stadt aufgegeben. Die Einwohner und die den Orten zugehörigen Felder fielen an die Nachbarorte, wovon vor allem die Ortsteile Bettingerode und Harlingerode profitierten. 1569 wurde in der Regierungszeit von Herzog Julius eine Solequelle gefunden und für die Saline Juliushall erschlossen. Dieses Schlüsselereignis legte den Grundstein für den späteren Kurbetrieb. Im Dreißigjährigen Krieg gelangten 1625 erste Truppen des katholischen Heerführers Wallenstein in das Amt Harzburg. Die Harzburg wurde nicht erobert, aber die umliegenden Dörfer wurden in der Folgezeit schwer verwüstet. Die Bevölkerung versuchte, sich in den angrenzenden Bergen in Sicherheit zu bringen. Nach dem Dreißigjährigen Krieg ordnete Herzog August der Jüngere von Braunschweig an, dass diejenigen, die sich im Amte Harzburg niederließen, auf drei Jahre von allen Belastungen frei sein sollten. Diese Maßnahme hatte besten Erfolg, so gab es 1699 im ganzen Amte keine unbewohnte Hofstelle mehr.

1819 wurde Neustadt an die Postroute Wolfenbüttel–Harzburg angeschlossen. Die Post-Expedition wurde später 1848 in eine Postverwaltung umgewandelt wurde und 1855 zum Bahn- und Postamt umfirmiert, das über weitere Bezeichnungsänderungen bis 1904 zum Postamt I. Klasse wurde. Neben dieser Postanstalt gab es seit 1843 eine Station für die Pferdepost mit Postillionen. Ab 1831 war Neustadt als Kur- und Badeort bekannt. 1851 wurde die Saline geschlossen, und es entstand der eigentliche Badebetrieb. Nach dem Vorbild der großen europäischen Bäder entstand eine Kolonie von zunächst auswärtigen wohlhabenden Bürgern, die es verstanden, die mondänen Anforderungen der damaligen Zeit am Fuße des Harzes zu vereinen: elegante Hotels, ein Spielcasino, eine Pferderennbahn und zahlreiche Kuranlagen. Außergewöhnlich früh erhielt die Stadt einen Anschluss an das Eisenbahnnetz, als am 31. Oktober 1841 die staatliche Bahnstrecke Braunschweig–Bad Harzburg in Betrieb genommen wurde. Bis 1843 lief diese Strecke auf dem Abschnitt bis Vienenburg als Pferdebahn. Die Industrialisierung erreichte Bad Harzburg, als zwischen 1859 und 1861 Wilhelm Castendyck bei Neustadt-Harzburg abbauwürdige Eisenerzvorkommen entdeckte. Zusammen mit dem Bremer Konsul Hermann Henrich Meier begründete er zwischen 1860 und 1861 die zwischen Schlewecke und Westerode gelegene Mathildenhütte sowie die Eisenerzgruben Friederike und Hansa. Damit begann die Harzburger Bergbaugeschichte, die bis zur Stilllegung des Kalksteinbruchs Langenberg 1985 anhielt. Bis 1892 erwuchs aus Neustadt-Harzburg eine selbstbewusste Badegemeinde, die sich nunmehr nicht mehr beliebig Neustadt nannte, sondern den Namen des braunschweigischen Amtes Harzburg verwendete. Harzburg erlangte um 1900 den Titel eines „Weltbades“, da es im Gegensatz zu anderen Kur- und Badeorten eine von dem damals verbreiteten Bäder-Antisemitismus weitestgehend geschonte Badegemeinde war; Historiker schätzen den Anteil jüdischer Gäste zu dieser Zeit auf 10 Prozent. Gegenüber anderen Badeorten wie beispielsweise Borkum, die sich als „judenrein“ bezeichneten, grenzte sich Bad Harzburg dadurch ab, dass es bewusst mit seiner Offenheit warb. Eine Synagoge wurde in den 1890er-Jahren für die jüdischen Touristen errichtet, Schächtungen wurden 1899 vom Harzburger Magistrat ausdrücklich erlaubt und das 1931 seitens der NSDAP initiierte Verbot zunächst bekämpft. Bad Harzburg verfügte über keine eigene jüdische Gemeinde. Zum 27. Mai 1892 erhielt Neustadt-Harzburg das Recht, sich Bad Harzburg zu nennen. Den Status einer Stadt erhielt Bad Harzburg am 1. April 1894.

Schon 1899 fiel der Vorschlag zum Bau einer Kanalisation. Am 21. Oktober 1909 wurde am Radauanger die zu jener Zeit modernste Kläranlage Deutschlands vollendet, die auf der Dresdner Hygieneausstellung mit einer Goldmedaille auszeichnet wurde. In den 1920er-Jahren wandte sich das wirtschaftliche Bild der Stadt dem Massentourismus zu. Damit einher ging neben einer vielschichtigeren Herkunft der Badegäste auch eine zunehmend antisemitisch beeinflusste Mentalität innerhalb der Stadt. So begannen Hotels, bewusst auf eine nichtjüdische Kundschaft zu setzen, und 1928 verließ das einzige jüdische Mitglied des Schützenvereins auch aufgrund judenfeindlicher Bemerkungen den Verein. Zwischenzeitlich wurde Bad Harzburg aufgrund der immer noch hohen Toleranz als „Judenbad“ diffamiert. Das gesellschaftliche Klima in der Stadt verschärfte sich aufgrund der spürbaren Weltwirtschaftskrise in den frühen 1930ern: Im Jahre 1931 versammelten sich auf Initiative des DNVP-Vorsitzenden Alfred Hugenberg die wichtigsten rechtsextremen Parteien und Verbände der Weimarer Republik, DNVP, NSDAP, Stahlhelm und Reichslandbund, in Bad Harzburg und bündelten ihre Opposition gegen die Republik und gegen das Kabinett Brüning zur sogenannten Harzburger Front. Bis 1932 konnte diese Front etwa zwei Drittel der Wählerstimmen in der Stadt vereinigen. Der Kurbetrieb blieb in der Zeit des Dritten Reichs weitestgehend erhalten, so wurde weiterhin selbst in Skandinavien für die Kurstadt geworben. Den Berichten der Kurbetriebsgesellschaft nach erwirtschaftete die Stadt Gewinne, jedoch war dies auch in nicht durchgeführten Reparaturen begründet. Nach 1933 wurden die Aktivitäten im Amtsbezirk Harzburg intensiviert: Der Bergbau hielt verstärkt Einzug, so wurden in Harlingerode die Grube Hansa reaktiviert und 1935 die Zinkhütte Harlingerode erbaut. Um den verstärkten Bedarf an Wohnraum für die Bergarbeiter zu decken, wurde im selben Jahr die Siedlung Göttingerode an der Position der gleichnamigen Wüstung errichtet. Bad Harzburg blieb, wie auch die restliche Harzregion, von Kriegsschäden beinahe komplett verschont. 1936 wurde die heutige Landesstraße L 501 zwischen Bündheim und Oker errichtet. Während des Zweiten Weltkriegs wurden in Bad Harzburg Zwangsarbeiter eingesetzt. Insbesondere im Bergbau und Hüttenwesen, aber auch beim Bau der Eckertalsperre und in der Landwirtschaft wurden vorwiegend französische und polnische Arbeitskräfte eingesetzt.

In der Nachkriegszeit kristallisierten sich im Amte Harzburg erste Ansätze zu einer kommunalen Neugliederung heraus. Schlewecke fusionierte mit dem direkt angrenzenden Bündheim bereits am 1. Januar 1963. Strittig blieb zunächst der Status von Harlingerode: In Bad Harzburg befürwortete man eine Fusion mit dem benachbarten Oker, das kulturell durch die Industriegeschichte eng mit Harlingerode verwoben ist und als Montanstadt passender erschien als eine Eingliederung in die Kurstadt. Bettingerode und Westerode standen frei, welcher Stadt sie sich in diesem Fall anschließen würden. Zur Gemeindereform 1972 setzte sich jedoch letzten Endes die Fusion zu „einer“ Stadt durch, die am 1. Juli 1972 vollzogen wurde und neben der Kernstadt die Gemeinden Bettingerode, Bündheim, Harlingerode und Westerode sowie das gemeindefreie Gebiet Harzburg I umfasste. Zum 1. März 1974 wurde die neu vereinigte Stadt Bad Harzburg aus dem Landkreis Wolfenbüttel ausgegliedert und dem Landkreis Goslar zugeordnet. Dem ging eine heftige Debatte im Landkreis Wolfenbüttel über diese vom Land Niedersachsen getroffene Entscheidung voraus; etwa ein Drittel der Bevölkerung des alten Landkreises Wolfenbüttel waren im ehemaligen Amtsbezirk Harzburg ansässig und die Exklave wurde finanziell unter anderem mit dem Bau einer eigenen Berufsschule recht großzügig bedient. Am 2. Juni 1988 wurde in Bad Harzburg die erste Vortragsreihe der Staatsbürgerlichen Stiftung Bad Harzburg mit einem Festakt und einem Vorwort von Kai-Uwe von Hassel abgehalten. Die Themenkreise waren: Umweltforum 1988 und Das Leben im Alter. Unmittelbar nach dem Mauerfall am 12. November 1989 hatte die Stadt über 300.000 Besucher aus der DDR, da sie direkt an der Grenze zur DDR (heute Bundesland Sachsen-Anhalt) lag. Am 26. Juli 2017 verursachte das Tief „Alfred“ schwere Hochwässer der Flüsse Radau, Bleiche und Stübchenbach. Der Schaden an öffentlichen Einrichtungen wurde auf rund drei Millionen Euro geschätzt, dazu kamen Ausbauten und Neustrukturierungen der Kanalisation.