Na miejscu współczesnego miasta znajdowała się około roku 1000 p.n.e. osada kultury łużyckiej. Około 500 p.n.e. założono tu osiedle kultury pomorskiej. Gród książęcy powstał na przełomie X i XI wieku u ujścia Zgłowiączki do Wisły. W okresie panowania Bolesława Chrobrego był to ważny gród obok Poznania i Gniezna dla ówczesnego państwa, ponieważ wspierał on króla wojskami w ogromnej liczbie jak na ówczesne czasy (800 pancernych i 2000 tarczowników). Z czasem w miejscu grodu powstał murowany zamek, siedziba biskupów włocławskich.

Od 1123 miasto jest stolicą biskupstwa kujawskiego.

W 1255 książę kujawski Kazimierz I lokował tu miasto na prawie chełmińskim (odmiana prawa magdeburskiego), ale historycy przypuszczają, że Włocławek mógł uzyskać prawa miejskie znacznie wcześniej. Wtedy po raz pierwszy pojawia się nazwa Leslau. Z historii miasta należy również wymienić pierwszą nazwę miasta Włodzisław, która z czasem została zamieniona na nazwę Włocław. Do połowy XIII wieku funkcjonowały tutaj dwa miasta, "miasto katedralne" i "miasto niemieckie" (ze względu na zamieszkiwanie dość licznej grupy napływowej z Niemiec). Powiązanie miasta z katolicyzmem uformowało jego los na wiele wieków i kierunek jego rozwoju został uzależniony od decyzji biskupów, którzy wkrótce także przejęli na własność "niemieckie miasto". Biskupi włocławscy byli bardzo zamożni, między innymi w XIV wieku wśród ich własności można wymienić wieś Łódź, która w późniejszym okresie rozwinie się jako jedno z największych miast Polski. Włocławek rywalizował gospodarczo z ówczesnym krzyżackim Toruniem. W latach 1308-1332, 1392 i 1431 miasto było pustoszone przez najazdy krzyżackie tak, że w 1339 trzeba było powtórnie lokować miasto na prawie chełmińskim. Podczas barbarzyńskich najazdów Krzyżacy nie oszczędzili Katedry niszcząc ją w 1329 roku. Ostatni najazd Krzyżaków miał miejsce w 1431 roku. Po Pokoju toruńskim w 1466 roku nastąpił najintensywniejszy rozwój miasta. Włocławek był po Gdańsku największym ośrodkiem handlu zbożem w I Rzeczypospolitej. W 1520 r. powstała tu królewska komora celna przy porcie. W 1569 biskup Stanisław Karnkowski założył we Włocławku seminarium duchowne, które funkcjonuje do dzisiaj. Mieszczanie włocławscy posiadali własną flotyllę wiślaną, obsługującą spław towarów. W 1598 w mieście było 27 spichlerzy. Włocławek już w XVI wieku posiadał drewniane wodociągi, co dobitnie świadczy o zamożności miasta. W 1619 r. wybudowano dla seminarium nowy piętrowy budynek. Miasto zniszczone zostało przez pożar w 1620 roku (po pożarze komorę celną przeniesiono do Nieszawy), a w 1623 roku miała miejsce w nim epidemia.

Kres świetności przyniósł potop szwedzki, gdy w 1657 miasto zostało doszczętnie spalone przez Szwedów, a liczba ludności spadła do 1000 osób. W 1708 roku epidemia zabiła kilkuset mieszkańców.

Po II rozbiorze Polski od 1793 do 1807 Włocławek podlegał administracji zaboru pruskiego w ramach tzw. Prus Południowych. Po Kongresie wiedeńskim w 1815 miasto wcielono do Królestwa Kongresowego, a od 1831 było okupowane przez Rosję. W 1816 uruchomiono tu przetwórnię cykorii Ferda Bohma (dziś Rieber Foods Polska), w 1899 roku bracia Cassirerowie otworzyli największą w Polsce Fabrykę Celulozy, która w 1994 roku ogłosiła upadłość (Zakłady Celulozowo-Papiernicze im. Juliana Marchlewskiego we Włocławku, obecnie funkcjonuje na jej terenie kilka firm w tym TOP 2000, Firma W. Lewandowski — Fabryka Papieru we Włocławku). W połowie XIX wieku również została zbudowana fabryka maszyn rolniczych, instrumentów i aparatów fizycznych (dziś WIKA Polska, dawniej Manometry), w mieście funkcjonowało także 14 browarów, huta szkła, cegielnia, tartaki oraz szereg innych przedsiębiorstw. We Włocławku zarejestrowano w tamtym okresie 42 różne rzemiosła skupiające ogromną ilość rzemieślników, w porcie włocławskim przy ulicy Gdańskiej stało w szczytowym okresie do 150 statków. W 1862 miasto uzyskało połączenie kolejowe z innymi ośrodkami miejskimi w Królestwie Polskim. W okresie powstania styczniowego we Włocławku zginął pułkownik Stanisław Bechie z Włoch, który walczył po stronie Polaków. To właśnie jego płaskorzeźba zdobi kościół Santa Croce we Florencji^[. Na początku XX wieku rozwinął się przemysł fajansowy, ceramiczny, chemiczny, poligraficzny, metalowy i spożywczy. W 1897 roku we Włocławku urodził się Tadeusz Reichstein, biochemik, zdobywca nagrody Nobla.

Okupacja niemiecka w czasie I wojny światowej dokonała wielu zniszczeń w przemyśle.

Po odzyskaniu niepodległości wysadzono cerkiew ustawioną na środku dzisiejszego placu Wolności. W latach 30. powstały w mieście liczne nowe budynki, wśród których był budynek poczty przy ulicy Chopina. W okresie międzywojennym Włocławek był największym miastem województwa Warszawskiego (miasto Warszawa było wydzielone) i 18 miastem pod względem liczby ludności w Polsce bogatej między innymi w takie miasta jak Wilno, Lwów, Grodno, Nowogródek, Stanisławów.

Podczas niemieckiej okupacji (1939-1945) władze nazistowskie używały niemieckiej nazwy miasta niem. Leslau an der Weichsel (która nie była używana podczas niemieckiej okupacji w czasie I wojny światowej — władze niemieckie używały wówczas polskiej nazwy). W 1939 r. komendantem miasta został Hans Cramer (w latach 1937-1939 burmistrz Dachau), miasto liczyło wówczas ok. 68 tys. mieszkańców, w tym 21% Żydów i 1,5% Niemców. Od 24 października 1939 r. rozkazem ówczesnego komendanta (nadburmistrza) wprowadzono po raz pierwszy we Włocławku obowiązek noszenia przez Żydów emblematu żółtej gwiazdy (Judenstern), a od września 1941 r. obowiązek noszenia tego emblematu wprowadzono na pozostałych terenach III Rzeszy.

W 1941 r. miasto liczyło ok. 52 tys. mieszkańców, w okresie od 1 grudnia 1939 do 31 grudnia 1943 r. wysiedlono 16 tys. mieszkańców (głównie pochodzenia żydowskiego). Na miejsce wysiedlonych przybyła do Włocławka spora grupa Niemców z terenów Besarabii (Mołdawia). Niemcy doszczętnie zniszczyli dzielnicę Grzywno zamieszkiwaną przez biedotę, a część mieszkańców zamordowali. Po wojnie jedna trzecia miasta była zniszczona w wyniku działań niemieckich, a dzieła zniszczenia dopełniły wojska radzieckie rabując między innymi cenne maszyny i urządzenia z licznych fabryk w mieście.

Holocaust, a później emigracja (skutek powojennego bezprawia, doniesień o pogromach, powstania państwa Izrael oraz antyżydowskich działań władz komunistycznych, szczególnie z lat 1956, 1967 i 1968 r.), sprawiły, że Włocławek utracił około 12 000 swoich obywateli — polskich Żydów, którzy przed wojną byli w mieście znaczącą mniejszością. Dziś identyfikuje się z nimi tylko kilka włocławskich rodzin.

Początki powojennej odbudowy miasta w dużym stopniu opierały się na krzywdzie ludzkiej. Tragedia narodu żydowskiego oraz powojenna zawierucha ułatwiły władzom komunistycznym przejęcie tysięcy mieszkań, setek zakładów produkcyjnych i warsztatów, dziesiątków lokali instytucji społeczno-kulturalnych i religijnych. Kosztem wszystkich przedwojennych właścicieli nieruchomości wprowadzono nowy ład prawny, uniemożliwiający egzekwowanie czynszów z posiadanych nieruchomości, uniemożliwiający wymeldowanie meldowanych przymusowo przez władze obywateli ,wymagający od właściciela budynku ubieganie się o urzędową zgodę nawet na możliwość zamieszkania we własnym domu. Dzięki tym posunięciom władza ludowa Włocławka pozyskiwała dzisiejszą Starówkę, którą jednak ze względu na nieefektywność gospodarki planowej nie była w stanie sprawnie zarządzać. Obecnie utrzymywanie przez miasto stu kilkudziesięciu budynków generuje ogromne koszty i powoduje brak możliwości przeprowadzania znaczących remontów. Miasto nie planuje jednak wzorować się na okolicznym Toruniu i odsprzedać deficytowe nieruchomości, zamiast tego od 2006 r. prowadzone są intensywne i jak na razie bezowocne prace nad tzw. "planem rewitalizacji" starówki, który jako pierwszy w Polsce miałby doprowadzić do znaczącego wsparcia rewitalizacji starego miasta przez Unię Europejską. Aby "planowi rewitalizacji" nadać rozmachu, od 2008 r. na łamach lokalnej prasy jako element "planu rewitalizacji" uznaje się także post factum każdą większą inwestycję prywatną w centrum miasta, nawet jeśli została zainicjowana na wiele lat przed powstaniem planu rewitalizacji i przechodziła wieloletnią drogę cierniową miejskiej biurokracji.

Rozpoczęto odbudowę przemysłu i budowę nowych zakładów przemysłu chemicznego i przetwórczego. W 1969 r., realizując projekt Kaskada dolnej Wisły, wybudowano zaporę na Wiśle. W okresie PRL-u Włocławek z racji kumulacji dużego przemysłu był kreowany przez komunistów jako "czerwone miasto", ale nie pokrywało to się ze stanem faktycznym.

W związku z transformacją ustrojową i silnym charakterem przemysłowym miasta, w latach 90. gwałtownie wzrosło bezrobocie. Stan ten pogłębiła utrata statusu miasta wojewódzkiego w 1998 roku. Włocławscy politycy wsparli ówcześnie aspiracje Bydgoszczy do stworzenia województwa, które pomimo początkowych protestów Torunia udało się ostatecznie utworzyć. Rozczarowanie Włocławian związane z marginalizacją Włocławka przez nowe stolice wojewódzkie, wolnym rozwojem województwa na tle innych województw oraz ciągłe animozje bydgosko-toruńskie spowodowało próby zmiany przynależności administracyjnej miasta, ale skończyły się one na wymianie pism z MSWiA. Rola miasta w województwie ulega dalszej marginalizacji, ponieważ w Regionalnym Programie Operacyjnym Województwa Kujawsko-Pomorskiego Włocławek ma pełnić rolę subregionalnego ośrodka podobnie jak 32-tysięczna Brodnica. Dla porównania mniejsza od Włocławka Zielona Góra i niewiele większy Gorzów Wielkopolski pełni rolę krajowego ośrodku równoważenia rozwoju. Różnica statusów nie wynika z potencjałów gospodarczych, ponieważ Włocławek nie odstaje pod tym względem od Zielonej Góry czy Gorzowa Wielkopolskiego, a nawet znacząco je przewyższa w dziedzinach takich, jak na przykład nakłady inwestycyjne w przedsiębiorstwach. Niedowartościowanie realnego potencjału Włocławka i jednoczesne przewartościowanie metropolii bydgosko-toruńskiej, która nie spełnia norm metropolii zawartych w literaturze naukowej, może spowodować dalsze negatywne skutki dla gospodarki i spójności województwa.

Argumentowanie przez polityków dysproporcji podziałów środków unijnych promieniowaniem gospodarczym stolic wojewódzkich jest błędne ze względu na porównywalne lub lepsze wskaźniki gospodarcze osiągane przez Włocławek jak na przykład porównywalna liczba do Bydgoszczy i Torunia osób fizycznych prowadzących działalność gospodarczą w przeliczeniu na 10 tys. mieszkańców. Pomimo silnych argumentów merytorycznych dotychczas nie udało się włocławskim politykom zmienić statusu i znaczenia miasta w województwie.

Obecnie włocławscy decydenci zaprzestali walkę o zmianę granic województwa, a nowy pomysł ściślejszej współpracy z Płockiem nie odbił się dużym echem wśród włocławskich polityków^[. Miasto nie podjęło również starań o stworzenie nowego województwa, pomimo że mniejsza Zielona Góra ma taki status, a szereg innych miast się stara jak np. Słupsk razem z Koszalinem, Kalisz z Ostrowem Wielkopolskim, Częstochowa.

Obecnie miasto dynamicznie się rozwija, zrestrukturyzowany i sprywatyzowany przemysł napędza gospodarczo region. Wskaźniki ekonomiczne oceniające przemysł znacznie lepiej wypadają niż w przypadku Bydgoszczy lub Torunia (np. produkcja sprzedana przemysłu na 1 mieszkańca w 2005 r.). Miasto zaczyna wychodzić z impasu, ma najniższe bezrobocie po Bydgoszczy i Toruniu oraz po powiecie ziemskim Bydgoszcz. W mieście rozwija się handel, usługi, szkoły wyższe, kultura i rozrywka. Równie dynamicznie rośną przedmieścia Włocławka, a w szczególności w kierunku Lipna i Brześcia Kujawskiego. Największym problemem miasta jest rewitalizacja Starego Miasta, a także faworyzowanie Bydgoszczy i Torunia w podziale środków unijnych z Regionalnego Programu Operacyjnego w ramach projektów kluczowych. Miasto w roku 2008 zakupiło działki w okolicach Anwilu, gdzie ma powstać Włocławska Strefa Rozwoju Gospodarczego, która pozwoli na dalszy rozwój gospodarczy miasta. Również w tym samym roku rozpoczęła się budowa instalacji kwasu tereftalowego na terenie Anwilu, która pochłonie ponad 2 mld zł i będzie jedną z większych inwestycji w kraju.