L’origine de Chamalières remonte à la fondation, vers 665, par le Comte d’Auvergne Genès, d’un couvent de femmes dans la vallée de la Tiretaine.
Le territoire de Chamalières fut très tôt peuplé, on y a en effet trouvé quelques vestiges préhistoriques et celtiques. À l’époque gallo-romaine, il faisait partie du vaste ensemble qui constituait la ville d’Augusto-Nemetum (futur Clermont). De son sol, on a retiré les traces de nécropoles, celles d’un sanctuaire près de la source des Roches et des grands thermes de Rubiacum (Royat).
Après la ruine de l’empire romain, on entre dans une période obscure et ce n’est qu’au VIIème siècle que l’existence d’un petit village tassé autour d’une abbaye est attestée. Malgré son peu d’importance, il posséda dans les siècles suivants jusqu’à cinq églises dont une seule subsiste, celle actuelle de Notre-Dame.
Située dans un vallon agréable et fertile, Chamalières a fait partie des possessions des comtes d’Auvergne puis, après être restée quelques temps aux mains d’une famille du nom de Chamalières, un mariage l’apporta aux dauphins d’Auvergne qui, à partir de 1240, reconnurent tenir ce lieu et ses appartenances : Montrognon, Aubière, Chanonat, Pérignat et Opme, en hommage à l’évêque de Clermont.
Au XVème siècle à la suite d’un mariage, Chamalières passa avec les biens des dauphins dans la maison de Bourbon puis, après la confiscation des biens du connétable Charles de Bourbon, fut réunie à la couronne en 1531. Vendu par les commissaires du roi, ce fief fut acquis par Catherine de Médicis en 1554, moyennant 2 171 livres. Charles de Valois, fils naturel de Charles IX, en jouit ensuite jusqu’en 1606, date à laquelle Chamalières fut adjugée à Marguerite de Valois par un arrêté du Parlement. Cette dernière en fit donation au dauphin, futur Louis XIII. Chamalières fut comprise en 1651 dans les terres remises au duc de Bouillon, Frédéric Maurice de la Tour, en échange de la Principauté de Sédan. Chamalières resta jusqu’en 1789 possession de la famille de la Tour.
Chamalières est chef-lieu de commune depuis 1790 ; ce fut même de 1790 à l’an IV, le chef-lieu d’un canton du district de Clermont, qui regroupait les communes de Chanat, Durtol, l’Etang, Laschamp, Montrodeix, Nohanent, Orcines, Royat et Villars.
Au milieu du XIXème siècle Chamalières restait isolée de Clermont et n’y était reliée que par de mauvais chemins. Tout devait changer après 1850, d’abord avec la construction de la route de Clermont à Limoges (qui deviendra l’avenue Joseph-Claussat), puis en 1879, celle de l’avenue de Royat, qu’utilisera une vingtaine d’années plus tard une ligne de tramways électriques (la première en France). En 1881, l’achèvement du viaduc permit la mise en exploitation de la ligne ferrée Clermont-Tulle.