Die ältesten Siedlungsfunde Funde im Stadtgebiet werden auf 4000 v. Chr. datiert. Man vermutet, dass hier ein Kerngebiet der germanischen Besiedlung war. Im 7. Jh. wanderten Slawen in das Gebiet ein.Im Zuge der frühmittelalterlichen Ostkolonisation kamen Siedler aus Thüringen und Franken hinzu.
Der Ort wurde 1070 in den „Pegauer Annalen“ erstmals erwähnt. Diese Ortsnennung betrifft den Tausch des Gebietes, welches Udo II. von Stade mit dem Eigengut vom Grafen Wiprecht in der Altmark tauschte. Der Bau der Burg wird aber bereits auf das 10. Jh. datiert. Sie kontrollierte die Furten der Fernstraße über Elster, Schwennigke und Schnauder. Im 11. Jh. gab es bereits eine Siedlung. Diese erhielt 1214 das Stadtrecht.
Die Wiprechtsburg zählte im 11. und 12. Jh. zu den größten in der Region. Mit dem Tod der letzten Gräfin von Groitzsch fiel der Besitz 1143 endgültig an die Wettiner. Wahrscheinlich erfolgte die Zerstörung in den Erbfolgekriegen (1294-1296) der Wettiner mit den Königen Adolf von Nassau und Albrecht I. (1306/1307).
Die Grafschaft wurde 1460 in das Amt Pegau eingegliedert, wo Groitzsch bis 1856 verblieb. Seit dem Mittelalter war in der Stadt das Schuhmacherhandwerk der wichtigste Handwerkszweig.
1513 zerstörte ein Stadtbrand die meisten Häuser und die Kirche St. Aegydius. Deren Turm ist erhalten geblieben und dient als Museum.
Im 19. Jh. entstanden viele neue Fabriken, die Stadtanlage erweiterte sich. Aus dieser Epoche gibt es noch gut erhaltenen Gründerzeithäuser. 1874 wurde Groitzsch an die Bahnlinie nach Meuselwitz angeschlossen. Seit der 1909 gab es den Bahnanschluss nach Neukieritzsch.
Am 14. April 1945 besetzten amerikanische Truppen bis zum 30 Juni die Stadt. In der Verwaltungsreform 1952 wurde Groitzsch dem Kreis Borna im Bezirk Leipzig zugeordnet.
Im Jahr 1989 feierte Groitzsch den 950 Jahrestag seiner Gründung. Seit 2008 ist die Stadt im Landkreis Leipzig. Beide Eisenbahnstrecken wurden durch den Braunkohleabbau in den Jahren 1997/1998 stillgelegt. Westlich der Stadt verläuft die B2 von Leipzig nach Zeitz.
Das Hochwasser der Weißen Elster richtete im Groitzscher Stadtgebiet vier Millionen Euro Schaden an.
