Основан в 1716 как посёлок при строительстве промышленниками Демидовыми Верхнетагильского чугунолитейного и железоделательного завода (пущен в 1718, закрыт после 1917).
Название по р. Тагил; определение указывает на расположение города выше по течению реки относительно другого, Нижнетагильского завода. Возможна этимология гидронима из древнетюркского тагыл "горная местность".
В 1951 началось строительство ГРЭС (запушена в 1956), развивалась промышленость стройматериалов. Город с 1966.
