Die Region rund um San Diego war der Ort, an dem der für die spanische Krone fahrende, portugiesische Entdecker Juan Rodriguez Cabrillo im Jahr 1542 als erster Europäer die amerikanische Westküste betrat. Cabrillo fand ein Gebiet vor, das seit langer Zeit von den Ureinwohnern vom Volk der Kumeyaay bewohnt wurde; deren Nachfahren leben heute in Reservaten in der Region. Er nannte die Bucht zunächst San Miguel; der Name San Diego entstand erst 1602, als Sebastian Vizcaino eine Landkarte der kalifornischen Küste erstellte.

Im Jahr 1769 errichteten die Spanier in Person von Gaspar de Portolà einen Militärposten an der Stelle des heutigen San Diego, kurz darauf folgte dann die Missionsstation der Franziskaner. Etwa fünf Jahre später zogen die ersten Kolonien in das Gebiet, doch die ansässigen Ureinwohner wehrten sich gegen diese Besiedelung, lehnten sich gegen die Europäer auf und setzten die Mission in Brand. Nach dem Wiederaufbau allerdings erwies sich die Kolonie als neu gestärkt und wuchs bis zum Ende des 18. Jahrhunderts auf 1400 Personen an. Nach der mexikanischen Unabhängigkeit wurde die kirchliche Mission aufgelöst und am Fuß des Presidio Hills ein Pueblo gegründet, also eine eingetragene Ortschaft. Diese jedoch verlor schnell an Bedeutung und im Jahr 1838 waren nur noch etwas mehr als 100 Einwohner hier zu finden.

Als California 1850 nach dem Krieg gegen Mexiko zu den USA kam, erhielt das noch immer recht überschaubare San Diego die Stadtrechte und wurde zum Hauptort des neu eingerichteten San Diego County. Damit begann ein zunächst langsamer Zuwachs an Bevölkerung. 1867 kam Alonzo Horton, ein aus Connecticut stammender Landentwickler nach San Diego, der schnell den Nachteil erkannte, dass die kleine Stadt zu weit vom Wasser und damit von den Handelswegen entfernt war. Horton kaufte großflächig Land an der Bucht von San Diego einige Kilometer südlich von der Siedlung, baute eine Werft und warb um neue Siedler. Trotz des Widerstands der in der Original-Siedlung lebenden Bewohner war sein Projekt schnell erfolgreich und seine so genannte New Town war bald das Zentrum der inzwischen gewachsenen Stadt. Im Jahr 1890, nachdem die Stadt 1885 einen Anschluss an das Eisenbahnnetz erhalten hatte, lag die Einwohnerzahl bereits bei über 16.000.

Ab 1901 entwickelte sich San Diego zum Marinestandort. In den ersten 30 Jahren des 20. Jahrhunderts wurden mehrere Stützpunkte und ein Trainingscenter der Marine hier etabliert; erst nach dem Ende des Kalten Krieges wurde die Präsenz schrittweise abgebaut. Ab 1910 erlebte San Diego zum Teil gewalttätige Auseinandersetzungen zwischen Vertretern der Arbeiterbewegung und der Polizei, den so genannten Free Speech Fight, mit dem die Arbeiter ihr Recht auf freie Meinungsäußerung durchsetzen wollten. 1915 war die Stadt Schauplatz der Feierlichkeiten anlässlich der Eröffnung des Panamakanals. Als erste mögliche Anlaufstelle in den USA nach dem Kanal wollte man sich der Öffentlichkeit präsentieren und hatte damit großen Erfolg. Viele Tausend Menschen besuchten die Panama-California Exposition, die auch dafür sorgte, dass in einigen Bereichen der Stadt, vor allem im Balboa Park, viele Veränderungen des Stadtbilds vorgenommen wurden. 1935 brachte die Ausrichtung der California Pacific International Exhibition ähnliche Erfolge.

Wie viele andere amerikanische Städte erlebte San Diego in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts mehrere Veränderungen im Stadtbild. Dem Verfall vor allem innerstädtischer Bereiche in den 80ern folgte eine Wiederbelebungskampagne, die dazu führte, dass Stadtteile wie Downtown, das Gaslamp Quarter oder das East Village inzwischen von wohlhabenderen Schichten bewohnt werden als das noch vor 30 Jahren der Fall war. Zugleich erweiterte sich die Skyline der Stadt um einige Büro- und Apartmentgebäude. 1984 kam San Diego weltweit in die Schlagzeilen, als ein Amokläufer in einem Fast Food-Restaurant im Stadtteil San Ysidro 21 Menschen und sich selbst tötete. 2003 wurde die Stadt vom bis dahin größten Waldbrand der Geschichte Kaliforniens bedroht; mehr als 2800 Gebäude brannten dabei nieder und 15 Menschen starben. 2007 sorgte ein erneuter, riesiger Waldbrand von Santa Barbara bis zur mexikanischen Grenze für die Evakuierung von rund einer halben Million Einwohner San Diegos.