Biatorbágy az őskor óta lakott terület. Bronzkori földvármaradványokat találtak Bián, a Pap-réti dűlőben. Ugyancsak Bián honfoglalás kori településmaradványokra is bukkantak. Bia legkorábbi írásos említésére 1192-ből van adatunk: a Torbágyerdő alatti Biuai szerepel egy birtokösszeírásban.

A török hódoltság idején Bia és Torbágy fokozatosan elnéptelenedett. A török kiűzése után Biára többségében magyar családok települtek vissza, de nem az eredeti faluba (református temető környéke), hanem mellette építették újjá a falut. A magyarokon kívül más nemzetiségűek a környékbeli falvakból költöztek ide. Míg Bia magyar faluként élt tovább, Torbágyot német nemzetiségűekkel telepítették be.

1712-től Bia a Farkas és Hochenberg család tulajdona volt fele-fele arányban. 1739-ben a nagy pestisjárványban a falu lakóinak fele meghalt. Bia földbirtokosai a helyükre német családokat telepítettek be. Közben 1768-ban tulajdonosváltás történt. Az új tulajdonos, báró Sándor Antal ellen fellázadtak a jobbágyok. Bia egy másik része a 18–19. században a Szily család tulajdona volt.

Az 1780-as években több malmot telepítettek a biai Szelíd-tó mellé, és ezekben az években történt a patakok szabályozása is. 1811-ben gróf Sándor Vince és Szily József lecsapoltatta a Szelíd-tavat. Ugyanezen év szeptember 16-án az osztrák dragonyosok felgyújtották a falut 32 ház porig égett.

Az 1856-os összeíráskor Bián 1600 magyar lakost írtak össze, 1870-ben pedig 1039 katolikus, 930 református és 36 izraelita lakost tartottak számon. Ebben az időszakban élte virágkorát a gróf Sándor Móric tulajdonában lévő földbirtok. Az emeletes kastélyban működött az uradalmi igazgatóság. Az uradalom a környék legkorszerűbb birtokai közé tartozott. A gróf Sándor család birtoka ezután leányági öröklés útján a herceg Metternich családhoz került. A Szily birtok ugyanakkor a Fáy család tulajdona lett, akik igen szép uradalmat hoztak létre több gazdasági épülettel.

1884-ben megépítették az első vasúti vágányt és az első torbágyi viaduktot. 1898-ban megépült a második pálya és a következő viadukt. A vasút megépítésével a két település folyamatosan terjeszkedett a vasútvonal felé. Bia 1886-tól a Pilisi alsó járás székhelye volt, amit 1898-tól Biai járásra neveztek át. A Biai járást végül 1934-ben szüntették meg.

1924. június 13-ánMagyarország eddig ismert legnagyobb tornádója (néhány más környékbeli település mellett) Bián és Torbágyon végzett hatalmas pusztítást, majd egy másik katasztrófa, a torbágyi merényletTorbágyot tette országos hírűvé. 1931. szeptember 13-án Matuska Szilveszter felrobbantotta az egyik sínszálat a viadukton a Budapest-Bécs vonalon közlekedő gyorsvonat alatt, amely kisiklott, majd a gőzmozdony és első kocsijai a mélybe zuhantak. A robbantás 22 halálos áldozatot követelt. A merénylet ürügyén kezdődött meg az 1930-as évek politikai leszámolása az illegális kommunistákkal.

A két községet először 1950-ben egyesítették. 1958-ban Bia és Torbágy különváltak, 1966-ban azonban ismét egyesültek. A település és Érd közötti hegytetőn 1978-ban légvédelmi rakétabázis épült, amelyet 1996-ban leszereltek. 1985-ben a település északnyugati területei (Herceghalom, Kozárom, Móriczmajor, Simontanya) Herceghalom néven különváltak Biatorbágytól. Biatorbágy 2007. július 1-jével kapott        városi rangot.