Originea aşezării de la confluenţa râurilor Dorna cu Bistriţa Aurie este învăluită în legendă. Aceasta ne spune că la început s-a numit Vatra Dorinei, după numele tinerei Dorina, ce a fost ucisă din greşeală de Dragoş Vodă în timp ce era la vânătoare. Cuprins de remuşcări, voievodul o înmormântează pe tânăra păstoriţă în apropierea unui râu şi de atunci, şi râul şi aşezarea de pe malurile sale au primit numele fetei.

Însă, existenţa unor vechi forme de organizare statală, cel mai probabil sub forma de cnezat, pe aceste meleaguri, chiar înainte de întemeierea Moldovei, sunt confirmate de cercetările reputaţilor istorici Dimitrie Onciul şi Constantin Giurescu.

Călugărul Rogerius din Oradea consemnează în lucrarea sa Carmen miserabile despre aceste locuri, descriind traseul armatelor tătare în invazia din 1241, şi prin pădurile dintre Rusia şi Cumania, adică prin depresiunea Dornei, pe drumul ce astăzi este numit „drumul tătarilor”.

Atestarea documentară a localităţii o regăsim în 1592, în timpul domniei în scaunul Moldovei a lui Aron Vodă, fiul lui Alexandru Lăpuşneanu, când aşezarea este atestată ca punct de popas şi de vamă. Ca localitate rurală, aceasta este atestată abia în 1641, în timpul domniei lui Vasile Lupu.

La anexarea Bucovinei de către Austria, în 1775, Vatra Dornei şi satele din jur erau parte a Ocolului Câmpulungului Moldovenesc, despre care, Dimitrie Cantemir în a sa Descriptio Moldaviae, spunea că era organizat după reguli proprii, cu o largă autonomie faţă de domnii Moldovei, asemenea unei republici.

A urmat o perioadă de 144 de ani, când Dorna şi împrejurimile, teritorii componente ale Bucovinei, au făcut parte din Imperiul habsburgic. O perioadă marcată la început de asuprire, colonizare şi exploatare a resurselor, dar şi o perioadă de dezvoltare a zonei din toate punctele de vedere, mai ales spre sfârşitul sec. al XIX-lea şi începutul sec. al XX-lea.

Descoperirea şi punerea în valoare a izvoarelor de apă minerală, dar mai ales folosirea acestora în scopuri terapeutice, au condus la realizarea în Vatra Dornei a unei staţiuni balneare de renume. Evoluţia băilor dornene a fost una anevoioasă, marcată de lipsa investiţiilor în infrastructura balneară. După aproape un secol de încercări susţinute, dar fără rezultat, la data de 18 august 1883, Împăratul Franz Josef acordă proiectului agreat de Ministrul Agriculturii, contele Julius von Falkenhayn, sancţiunea imperială cu următorul conţinut: „Aprob construirea unui stabiliment balnear la Vatra Dornei din veniturile Domeniului şi ale Ocolului silvic al Fondului Religionar greco-ortodox din Bucovina în forma solicitată”.

Într-un timp record, demn de invidiat şi în zilele noastre, au fost ridicate cele mai importante clădiri ale staţiunii balneare: Clădirea băilor, Cazinoul, Izvorul Ioan, Izvorul Falkenhayn, Hotelurile balneare I şi II, Palatul comunal, Palatul naţional, care şi astăzi sunt emblema oraşului. Mai târziu, staţiunea a fost conectată la reţeaua feroviară prin construirea căii ferate Câmpulung – Vatra Dornei, inaugurată în 1902.

Faţa localităţii s-a schimbat, iar tot mai mulţi oaspeţi au fost încurajaţi de aceste schimbări să-şi petreacă vacanţele de vară aici, fapt ce a generat progres economic în doar câţiva ani. Drept urmare, la 17 decembrie 1907, târgul Vatra Dornei este ridicat la rangul de oraş al Austro-Ungariei.

După încheierea primului război mondial şi reîntregirea României, staţiunea balneară şi întreg oraşul au avut nevoie de o scurtă perioadă de refacere, unele clădiri fiind avariate şi inventarul stabilimentelor balneare fiind distrus sau descompletat. Însă, după scurt timp, staţiunea a redevenit căutată de oaspeţi din toate provinciile reunite în România Mare, dar şi de numeroşi turişti străini.

După instalarea regimului comunist, staţiunea a continuat să fie în topul destinaţiilor de cură, tratament şi odihnă din România, de această dată ca parte a economiei de stat planificate. Începând din anii 60-70 oraşul a cunoscut o dezvoltare economică, socială şi edilitară accelerată, construindu-se noi capacităţi de producţie, cartiere de blocuri, iar staţiunea a fost reînnoită cu complexe hoteliere de mare capacitate şi baze de tratament moderne.

În anii de după 1989, procesul de privatizare a condus la închiderea treptată a majorităţii unităţilor industriale din localitate şi împrejurimi, doar în unele sectoare fiind înlocuite cu unităţi de producţie moderne, cum ar fi exploatarea apelor minerale şi prelucrarea laptelui. În schimb, a avut loc o dezvoltare intensă a sectorului privat din domeniul turismului, serviciilor şi comerţului. Apar noi capacităţi de cazare, cu dotări şi servicii în acord cu cerinţele tot mai rafinate ale turiştilor, se diversifică paleta de servicii turistice şi creşte standardul de calitate oferit de operatorii turistici şi de edili. Drept recunoaştere a importanţei turismului dornean, la 18 martie 1999, Guvernul României atestă, prin hotărâre, că oraşul Vatra Dornei este staţiune de interes naţional.