A Római Birodalom idejében az itt húzódó, Aquincumot a nyugati provinciákkal összekötő, nagy forgalmú hadi út mentén egy kolónia is kialakult a mai település helyén. Az Árpád-kori főváros, Esztergom mellett Dorogon, a mai Ódorog területén a királyné szakácsai éltek, 1181-ben említette először oklevél. Eredetileg a Hunt-Pázmán nemzetség birtoka volt, később került az esztergomi káptalan tulajdonába.

A törökök 1542-ben elpusztították, a lakosság elmenekült, 1570-ben végleg elnéptelenedett. Ezt követően egészen 1694-ig lakatlan területként tartották számon. A török kiűzése után az esztergomi káptalan által betelepített svábok és a visszatért magyarok újjáépítették. Pilisvörösvár és Csolnok mellett Dorog volt az egyik legkorábban benépesült Buda környéki sváb falu, 1715-ben már német többségű volt.

A település történetének egyik legjelentősebb lépése 1845-ben történt, amikor megindult a szénbányászat. A 19. század végére már a szénmedence központjává vált, jeles tudósok dolgoztak a szénbányászat fejlesztésén. A településre nagy számban érkeztek Csehországból és Erdélyből bányászok. A korai időszakban a Dunán szállították a szenet, később az ebből a célból megépült Budapest–Esztergom-vasútvonalon szállították Budapestre és az ország más részeibe.

Schmidt Sándor várostervezésének köszönhetően a község az 1920-as, 1930-as években városias arculatot kapott, számos kolónia épült, a lakosságszám rövid időn belül többszörösére növekedett (2000 főről 8000 főre). Lényegében ekkor épültek meg a fontosabb közintézmények. / Az 1930-as években már naponta kétszer (reggel és délután) külön diákvonat járt Dorog és Esztergom között a megnövekedett középiskolás tanulólétszám miatt.

A három hónapos frontesemények idején a lakosság jelentős része (becslések szerint 5000 fő, a korabeli népesség 60%-ka) a dorogi bányaaltáróban (Reimann-altáró) keresett menedéket. 1944 decemberében a szovjet csapatok átkeltek a Dunán és bekerítették a fővárost, december 25-én felszabadították Dorogot.

1950-től a város jelentősége megnövekedett, vonzáskörzete kibővült, ugyanis járási székhely lett, és ezzel együtt jelentős irányító szerepet kapott (Dorogi járás). A szocializmus alatt „kiemelt település” volt a többi bányászvároshoz, iparvároshoz, a megyeszékhelyekhez és a budapesti munkáskerületekhez hasonlóan, így jelentős összegeket fordítottak infrastruktúrafejlesztésre.

1960 és 1990 között Dorog és Esztergom-Kertváros teljesen egybeépült, néhol az utca egyik oldala Dorog, másik oldala Kertváros. Az elmúlt évtizedekben urbanizálódott nagyközség 1983-ban pályázatot nyújtott be várossá nyilvánítás tárgyában. A felsőbb vezetés elfogadta a pályázatot, a Magyar Népköztársaság Elnöki Tanácsa 1984. január 1-jén Dorog nagyközséget várossá nyilvánította. Az utolsó bányát 2004-ben zárták be.