Основан в 1597 году государственной экспедицией Василия Головина и Ивана Воейкова как острог на месте существовавшего ранее мансийского городища Неромкарр для защиты одного из самых популярных водных путей в Сибирь: вверх по Каме до Соликамска, затем посуху, а затем вниз по Туре в Обь. Верхотурье стало главной крепостью на пути в Сибирь. В 1600 году была устроена таможня, и через город шли все сибирские товары. С XVII века была учреждена государственная ямская служба. Строительство других дорог было запрещено.
Город сильно пострадал от пожаров 1674 и 1738 годов, а его развитие замедлилось в середине XVIII века из-за отмены таможни и закрытия в 1763 году Верхотурского тракта.
При учреждении губерний - уездный город в Тобольской губернии. Это был самый большой уезд в России - он включал практически всю населённую русскими к тому времени часть Урала, от Печоры на севере до Уфы на юге, от Вишеры и Чусовой на западе до притоков Иртыша на востоке. С 1783 года - город был передан в Пермское наместничество.
В XIX веке пути сообщения с Сибирью смещаются далеко на юг, и Верхотурье теряет и торговое значение.
После революций 1917 года в городе сначала взяли власть большевики, а с сентября 1918 года по июль 1919 года Верхотурье находилось под контролем армии Колчака. В 1926 году Верхотурье потеряло статус города, который ему вернули только в 1947 году, в связи с 350-летием со дня основания.
Верхотурье - центр православия на Урале, один из старейших городов России за уральскими горами. В городе масса архитектурных памятников XVII-XIX вв. Среди них - самый маленький в России кремль с Троицким собором (1703-1712), Николаевский монастырь (основан в 1604 году) с Крестовоздвиженским собором (1905-1913, архитектор Турчевич) - третьей по объёму церковью в России, уступающей только Храму Христа Спасителя в Москве и Исаакиевскому собору в Петербурге. Также на территории монастыря - Преображенская церковь (1821) в стиле классицизма с колокольней, разрушенной в 1930-е годы и восстановленной в 1998 году, и Симеоно-Аннинская надвратная церковь (1856) в традициях древнерусской архитектуры. Помимо этого в городе находится Покровский монастырь (основан в 1621 году) - первый женский монастырь за Уралом. Представляет интерес и гражданская (каменная и деревянная) застройка города.
В 50 км от Верхотурья в селе Меркушино подвизался святой праведный Симеон Верхотурский всея Сибири чудотворец - покровитель рыбаков. Мощи святого покоятся в Крестовоздвиженском соборе. С Верхотурьем связана также жизнь святых Космы и Арефы Верхотурских.
В городе находятся Верхотурский историко-архитектурный музей-заповедник, православный музей.
В Верхотурье был построен первый велосипед с педалями и рулём крепостным кузнецом Ефимом Артамоновым. 15 сентября 1801 года тысячи людей, собравшихся на Ходынском поле в Москве, с изумлением наблюдали за удивительной двухколёсной тележкой. Она была присоединена к царской коллекции редкостей. Копия этого велосипеда хранится в краеведческом музее Нижнего Тагила.