Um 1156 und 1162 begann unter Markgraf Otto dem Reichen die Besiedlung und die Rodung des Waldes. Das erste Waldhufendorf an der Freiberger Mulde war Christiansdorf. Als um 1168/70 reiche silberhaltige Bleierze entdeckt wurden, entstanden innerhalb weniger Jahre mehrere Siedlungen und nach Zusammenschluss die Stadt Freiberg. In wenigen Jahrzehnten wurde sie so groß wie Leipzig. Das entstehende Freiberger Revier erreichte eine Ausdehnung von ca. 1400 km² über die sich die Ganglagerstätten von Edelmetallen und Buntmetallen erstreckten.
Um 1170/80 wurde die markgräfliche Burg errichtet, um die Ansprüche der Markgrafen an dem Bergbau zu sichern. Das Waldland um die Fundorte war an das Kloster Altzella verlehnt und wurde sofort durch Tausch an den Markgrafen Otto dem Reichen zurückübertragen. Der Name „Freiberg“ ist erstmals 1201 belegt. In den 1220er Jahren entstand die Ratsverfassung, die erste in einer markmeißnischen Stadt.
Drei Klöster befanden sich in der Stadt und 1260 eine erste Stadtschule. Der Höhepunkt der Stadtentwicklung war mit dem Freiberger Bergrecht um 1300 markiert. Freiberg war die Hauptmünzstätte der Wettiner.
In Mitte des 14. Jh. erfolgte ein Rückgang der Silberförderung und durch Brände in den Jahren 1471 und 1484 folgte die weitgehende Zerstörung der Stadt. Nach der Leipziger Teilung 1485 war Freiberg mit seinen Erzgruben in Besitz beider Wettiner-Linien. Zur Zeit der Reformation wurde es 1505 Fürstensitz von Heinrich dem Frommen, welcher mit seiner Frau den protestantischen Glauben förderte.
Nach dem Stadtbrand von 1484 entstanden das Rathaus, bis 1512 der Dom, der Domherrenhof 1484/88, um 1500 die spätgotische Nikolaikirche sowie Bürgerhäuser im Stil von Spätgotik und Renaissance. Der Dom war von 1541 bis 1694 Begräbnisstätte der Wettiner.
Im 16. Jh. blühte der Silberbergbau wieder auf, es wurden neue Bergbauanlagen und Hüttenwerke angelegt. Metallverarbeitung, Handwerk, Handel und Bankwesen entwickelten sich. Fünf Jahre wirkte der Arzt und Wissenschaftler Ulrich Rülein von Calw als Bürgermeister. Der Bergmeister Martin Planer erbaute 1550 die erste Revierwasserlaufanstalt mit mehreren Teichen und Kunstgräben bis hoch nach Sayda. Die Bergwerke konnten durch neue Technik in Tiefen über 400 m vorgetrieben werden. Martin Weygel setzte in Freiberg erstmalig 1613 Sprengstoff im Bergbau ein.
Im Dreißigjährigen Krieg wurde 1632 Freiberg erobert, aber 1639 und 1642 konnten die schwedischen Belagerer mit Hilfe der Bergleute abgewehrt werden. Nach dem Krieg erfolgte der Umbau von Schloss Freudenstein im Stil der Renaissance umgebaut. Der Orgelbauer Gottfried Silbermann und der Baumeister Ohndorff wirkten in Freiberg. 1765 wurde die Bergakademie als zweite montanwissenschaftliche Hochschule der Welt gegründet und 1860 das Freiberger Museum eingeweiht.
Die Wirtschaft nahm 1862 einen neuen Aufschwung mit dem Eisenbahnanschluss an Dresden und 1869 nach Chemnitz. Nebenlinien entstanden nach Nossen und Mulda.
In der Zeit des Nationalsozialismus befand sich in Freiberg ein Frauen-Außenlager des KZ Flossenbürg. Im Gebäude des heutigen Landratsamtes mussten die Lagerinsassinnen Teile für die Arado Flugzeuge zusammenbauen. Durch die Aufnahme von vielen ausgebombten Menschen der umliegenden Großstädte und von Vertriebenen wuchs die Einwohnerzahl der Stadt sprunghaft. Freiberg wurde von der Roten Armee kampflos eingenommen. Bemühungen der SDAG Wismut, Uranerz im Freiberger Bergbaurevier zu finden, waren nicht erfolgreich.
Ab 1952 gehörte Freiberg als Kreisstadt zum Bezirk Karl-Marx-Stadt der DDR. In den 1950er und 1960er Jahren wurden große Teile des jetzigen Campus der TU errichtet. Der Bergbau auf Zink und Blei lief bis 1969 weiter, wo er wegen mangelnder Ausbeute eingestellt wurde. Der weitere Ausbau der Hüttenindustrie in und um Freiberg zum Zentrum der Nicht-Eisen-Metallurgie und die unbefriedigenden Lösung des Problems der Abwasser- und Abgasreinigung verursachten enorme Schäden an der Umwelt.
Zwischen 1964 und 1990 entstanden größere Wohngebiete. Um 1970 überstieg die Einwohnerzahl 50.000.
