大连轨道交通在大连的历史可以追溯到1903年。当时的沙俄统治者出资在今大连火车站与寺儿沟住区之间铺设了一条有轨电车线路，这就是今日201路的前身，也是大连轨道交通历史的开端。后来，由于战争原因，这条线路在日本接管以后一度被废，直到1945年抗战胜利后，大连市才相继恢复了有轨2路（今201路）、有轨4路（今202路）、有轨5路（并入201路之前的203路）。
1909年9月25日，满铁运输部电气作业所在当时已处于日本统治下的大连开通了第一条有轨电车试验线路，标志着大连有轨电车和公共交通的开始，使大连成为全中华地区最早拥有有轨电车和公交的城市之一。该线路由电气游园（原动物园，今中心裕景）经大正通（今中山路、人民路）至大栈桥（今港湾桥），单程2.45公里。车辆为30台11型电车，车体由美国布列斯顿制造，底盘由英国蒙天吉布森制造，电气部分由德国制造，为木制复车台，每辆车定员72人，满载145人，当时俗称美国大木笼子。此后不断开辟新电车线路，于民主广场和解放广场建成两座轨线所。至1945年，电车共有11条线路，三个营业所，两个维修厂。
1945年，苏联红军从日本手中接收大连，1946年4月1日接收大连都市交通株式会社并改造为大连市交通公司。70年代，由于城市发展需要，开始大范围拆除有轨电车。其中沙河口-周水子段3路有轨电车改为当时的3路汽车（今BRT1路），今15路汽车即为当时有轨1路电改汽的线路。
1980年6月，有轨2路和有轨5路实现联运，1983年，201路名称正式出现。同年，有轨4路正式改称202路，运行线路为兴工街-黑石礁。1985年4月27日，201路正式拆分为两条线：沙河口火车站-大连火车站间的路线为201路，大连火车站-寺儿沟住区之间线路命名为203路。1996年夏季，3条线路先后宣布实行准无人售票。
2002年12月1日，202路将终点延伸至今天的河口软件园，以后又进一步延伸至小平岛前，形成了今天的线路。2002年11月8日，快轨3号线试通车，一年后正式运营。2006年开始有轨电车201、203分别开始轨道改造。2007年年末改造完成后，201、203两线重新合并，取消了沙河口火车驿站，起止站改为兴工街-海之韵公园，成为今天的201路。
大连地铁的设想最初提出于1980年代。1987年，大连提出了地下、地面及高架线路相结合的城市轨道交通规划方案，线路全长82.4公里，并写入了《大连城市总体规划》（1990-2010）。但由于对大连能否有能力修建、运营地铁有疑问，加之当时的宏观调控，大连地铁项目并未能实现。
大连修建地铁最新的一次尝试始于2005年。当年，大连再次提出修建地铁，依据《大连市城市总体规划》和《大连城市发展规划》，提出了包含以《大连市轨道交通路网规划方案》规划为基础的的1号线、2号线，以及连接市区与旅顺口区的新4号线的近期（2009-2016）规划建设的大连地铁一期工程。2009年7月，大连市城市轨道交通近期建设规划（2009-2016）方案通过审批。
2009年1月，大连市地铁工程建设指挥部正式成立。2009年3月，大连市地铁工程建设指挥部开始面向全国征集大连地铁标志设计，最终河北承德人吴禹征的设计方案获选。
2009年7月25日上午，大连地铁奠基仪式在港湾广场举行，开工建设两个试验段。2010年3月5日，大连市政府召开地铁开工动员大会，宣布大连地铁正式全线开工，同时大连地铁最终设计方案确定。估算总投资287.38亿元，每公里控制投资为4亿元；其中1号线投资100.16亿元，2号线投资187.22亿元。截至2010年5月，大连地铁全部26个标段均已开始施工。
大连地铁原计划在2012年年底前建成通车，投入试运营；实际上大连地铁2号线一期工程于2015年5月22日通车。
2014年6月10日大连市城市轨道交通建设规划（2014-2020年）环境影响评价第二次公示。 2011年3月10日上午，大连交通大学路段发生塌方事故，一名河南籍施工人员在塌方时随塌陷落下失踪。发生坍塌的掌子面距离地面17米，地面坍塌口约5平方米，土石方坍塌量约200立方米。失踪人员已于第二天证实死亡。 2011年3月16日晚6时30分左右，大连工业大学成教学院门前发生塌方，坍塌部分直径约10米，深6米。无人员伤亡。 2011年3月17日，山东路与松江路路口处的地铁施工工地发生塌方，坍塌部分直径逾一米。 2011年6月9日16时许，山东路施工现场附近路面坍塌，出现直径超过5米的深坑，部分地下管线断裂。 2011年8月29日早上5点左右，位于机场附近的虹港路与圣林路路口东北角发生塌方。塌方导致附近地区有线电视信号中断。同时，维修也造成事故附近路段严重堵车。 由于大连地质的复杂性，大连地铁在修建过程中曾发生多起塌陷事故。亦有民间人士对大连地铁的事故频发和扰民提出了批评。很多市民认为大连地铁在修建过程中涉嫌扰民，并且事故频发，在2011年8月14日的反对大连PX项目游行中，一七旬老太更是亮出含有“地铁是破坏”字样的标语。