1956年8月，上海根据中央关于防止帝国主义突然袭击的指示，提出建造地下铁道。23日，上海市政建设交通办公室根据战备要求编制提交《上海市地下铁道初步规划（草案）》，同时成立上海市地下铁道筹建处。苏联城市规划专家穆欣与上海市政府负责市政交通的李干成秘密讨论了地下铁道规划，用铅笔画出了横贯东西和纵穿南北的两条地铁线，纵穿南北即为1号线。
1963年，于浦东塘桥，进行了最早的地铁建设摸索和试验。一片农田采用结构法用钢筋混凝土管片衬内试挖了直径4.2米的盾构，推了100多米的隧道，用于验证粉沙性土质和淤混质粘土质中建设隧道的可行性。
1964年，在衡山公园附近，进行了地铁隧道和地铁站试验。该地铁试验工程代号为“60工程”，当时完全属于保密工程。该车站大小仅80米*20米*20米，规模是按照3米深、宽卡列车编组的停靠来建造的，施工工艺为深井法施工。连接到衡山路时，再挖了两根600米长的隧道，整个项目叫上海地下铁道扩大试验工程。由于该座车站和地下隧道规模较小，而且又太深，最终没有融入到1号线的建设中，但对于之后地铁建设奠定了基础。截至2014年，衡山公园地下仍保留着该设施。
70年代末，在漕溪公园的地底下，尝试了第二条试验隧道的掘进，投资4000多万人民币，上下行总长1290米。这段路线采用结构法修筑地下连续水泥墙（方形隧道），与此后采用的盾构掘进（圆形隧道）有明显不同。这段路线作为上海轨道交通1号线的正式路线使用。
1990年1月19日，上海轨道交通1号线经国务院同意，正式开工建设。
1993年1月10日，南段（锦江乐园站——徐家汇站）上行线建成，先通了一根隧道，铺好钢轨装好接触网。
1993年5月28日，南段上行线开始观光试运营，用1列车来回跑，单程12分钟。控制列车间隔采用的是最原始的“电话闭塞法”，票务员手工进行卖票、撕票。通车时，大批市民前来乘坐，上海继北京、天津之后成为中国大陆第三个拥有地铁的城市。
1994年12月10日，南延伸段工程开工，由区政府和上海市地铁工程建设指挥部共同建设，总投资6.2亿元，闵行区承担1.6亿元。延伸段全部在闵行区境内，位于沪闵路以南、沪杭铁路以北的两路中间地带，沿线设虹梅路站、莲花路站、外环路站、莘庄站4个车站。全长5.25公里，为全封闭地面线。
1995年4月10日，一期工程（锦江乐园站——上海火车站站）全线通车试运营。7月，全线正式投入运营，路线总长达到16.1公里。
2004年，1号线北延伸试车时，在通河新村折返线发生两车侧面相撞事故，由于试车不载客且122号车司机跳车逃生故无人员伤亡，但是导致102的一卡编号为9的车卡报废。
1996年12月28日，南延伸段（莘庄站——锦江乐园站）建成并试通车。1997年元旦，实现虹梅路站至莘庄站和火车站站至虹梅路站的分段通车运营。1997年7月1日，实现全线联通运营。2004年12月28日，北延伸段一期（上海火车站站——共富新村站）试运营。2007年12月29日，北北延伸到（共富新村站——富锦路站），延长了4.3公里，路线总长达到36.89公里。
2009年12月22日，上海轨道交通1号线因两车相撞停运，被撞车为空车，无人伤亡。2010年1月22日，事故原因认定为在2001年一号线上海火车站改造项目的配线图修改时N11-1438区段编码电路配线出错，错误向列车发送过快的速度码，卡斯柯信号公司承担事故责任。
2013年5月28日清晨，在最早开通的1号线南段南端终点站锦江乐园站，上海地铁20周年101号纪念列车缓缓驶入站台。上海申通地铁集团副总裁及首批建设者代表、调度员、值班站长、司机、维保人员、热线接听员、公安代表、1993年通车仪式上的小学生代表、时代报持纸质地铁票读者代表、“铁丝”代表等参加仪式，搭乘列车再次出发。