Заливът Гуанабара,където днес се намира Рио,е открит от португалеца Гашпар де Лемош на 1 януари 1502.Той го нарича„Рио“ (на португалски река),тъй като според него това е речно устие,а не залив.
Рио де Жанейро е основан на 1 март 1565 от португалеца Ещасио де Са близо до хълма Захарна буца,за да служи като крепост и да защитава земята от нашественици след изгонването на френските заселници.
Пълното име на града е Сао Себастиао до Рио де Жанейро в знак на почит към португалския крал Себастиан I.През 1567 селището е преместено в Моро де Кащело,населението наброява 3000 души, повече от които са местни.Развива се риболовът и най-вече ловът на китове,както и производството на захарни продукти.Създадени са големи плантациии за захарна тръстика.
В края на 17 век златната треска в Минаш Жерайш,намиращ се на северозапад от Рио де Жанейро,дава тласък на развитието на града.Има приток на имигранти от Португалия,които превръщат града в най-важното пристанище в колонията.От своя страна това привлича мнозина френски пирати и контрабандисти,които нападат града през 1710 и 1711,но в крайна сметка са изгонени.След това се наблюдава демографски взрив и това е причината инфраструктурата постоянно да се развива.Най-известният акведукт в Рио,Аркош да Лапа,е открит през 1793.Конструкцията е толкова здрава,че днес се използва като трамвайна линия,свързваща квартал Санта Тереза с центъра на града.През 1764 Рио де Жанейро става столица на Бразилия.
Пристигането на португалското кралско семейство през 1808 превръща Рио във временна столица на Португалия,а населението на града скача на 70 000 души.По това време градът започва да се разделя на бедни и богати квартали.По-заможните семейства се заселват в района между океана и хълмовете,днес известен като Зона Сул,а по-бедните отиват в Зона Норте,зад хълмовете.По това време са построени и Ботаническата градина,Каза Франка-Бразил, Кралската библиотека и митницата.Ботаническата градина(Jardim botanico)представя цялото богатство на бразилската флора на внушителна площ.Особено впечатляваща е алеята на гигантските палми.
През 1815 Рио де Жанейро официално е обявен за столица на Бразилия.През 1821 кралското семейство се завръща в Португалия, оставяйки управлението на колонията на принц дом Педро I.През 1822 дом Педро I обявява независимостта на Португалия от Бразилия след като не изпълнява заповедта да се върне в Португалия.Така той става император на Португалия,а Паласо Империал в Петрополис-негов дворец.Днес дворецът в Петрополис е превърнат в музей,организиран по най-добрите стандарти на съвременното музейно дело.
Първият конгрес в Бразилия се провежда в Рио през 1823 на мястото,където днес се намира двореца Тирадентеш.През 1831 дом Педро I абдикира,а синът му дом Педро II не е признат за управляващ император до 1840.По времето на Педро II Рио де Жанейро претърпява значителни подобрения.Между 1854 и 1862 градът се сдобива с газово осветление,водоснабдителни и канализационни услуги и с трансатлантическа телефонна линия и телефонни мрежи.Развива се и транспортът;появяват се първите трамваи, влакове и фериботи.Трамвайната линия,свързваща центъра на Рио и квартала на художниците Санта Тереза,е незабравима туристическа атракция.През 1884 е открита жп линията,която отива до хълма Корковадо,а през 1892 е открит тунелът между Ботафого и Копакабана,който способства за миграцията на по-заможните семейства към брега.С отмяната на робството през 1888 и с отслабването на властта на монарха от 1889 се увеличава промишленото производство,а земеделието спада.
В началото на 20 век са направени много подобрения в центъра на града;открити са авенютата Рио Бранко и Бейра-Мар и са построени Общинският театър,Художественото училище и Народната библиотека, която е на четвърто място в света по богатство на архивните си фондове(донесени в Бразилия при бягството на португалския крал от нашествието на Наполеон в Португалия).През 30-те и 40-те населението край брега нараства като заема областта около Ипанема и Леблон,а небостъргачите започват да стават все по-често явление в жилищните квартали и в центъра на града.
През 1966 столицата е преместена в град Бразилия,въпреки че Рио продължава да бъде културната столица на Бразилия и административен център на щата Гуанабара.През 60-те и 70-те пейзажът в Рио значително се променя,като е създаден паркът Атеро до Фламенго;изкопани са тунели,свързващи южната със северната част;изградени са мостът Рио-Нитерой и метрото.
През 1975 щатът Гуанабара е заменен с щата Рио де Жанейро,а едноименният град става негов административен център.