Már a római korban lakott település Andautonia néven. 1093-ban alapította Szent László király a zágrábi püspökséget és a Káptalandombon (Kaptol) felépíttette a Szent István székesegyházat.

1300-ban itt koronázták meg először az Apuliából ideérkezett Károly Róbertet. 1383-ban itt végzik ki a Horvátiak lázadásának néhány résztvevőjét. 1385-ben itt fogadja Kis Károly a horvát főurak hódolatát. A középkorban a Kaptol mellett fejlődött ki fokozatosan a Gradec, a polgárváros. A török időkben közvetlen közelében húzódott az országhatár, ezért a főváros Varasdra került. A török veszély elmúltával visszanyerte fővárosi rangját. 1753-ban itt végezték ki a parasztfelkelés vezetőit.

A 19. század második felében rohamosan fejlődött. 1852-ben érseki székhely lett. Fejlődésére nagy hatással volt a vasút kiépülése, majd kialakultak az alsóváros (Donji Grad) munkásnegyedei. Ez a külvárosi terület addigi falusias jellegéből ekkor lett igazán várossá.

1918-ban a város a Szerb-Horvát-Szlovén Királyság része lett. A két világháború között kialakultak a vasút és a Száva közötti munkásnegyedek, valamint az új lakóövezet a Medvednica déli lejtőin. A II. világháború után a város a Száva túloldalára is kiterjeszkedett, ekkor épült ki Újzágráb (Novi Zagreb). A város nyugatra és keletre is tovább terjeszkedett, magába olvasztva több falut is. A Szávától délre épült meg a teherpályaudvar és a Pleso nemzetközi repülőtér. A nagy ipari övezet a ®itnjak délkeleti kiterjedésével a város külső kerületei kiterjedtek a Száva és a Prigorje közötti részre is.

1991-től az önálló Horvátország megalakulásától az ország fővárosa lett. 2002-ben 779 145 lakosából 716 344 horvát, 18 811 szerb, 6204 bosnyák, 3225 szlovén, 1946 cigány, 841 magyar, 813 cseh, 277 olasz volt.