Первое поселение на месте нынешнего города Серова возникло в 1894 году при строительстве сталерельсового завода, названного Надеждинским по имени владелицы Богословского горного округа (БГО) Надежды Михайловны Половцевой. Завод был заложен на левом берегу реки Каквы в 10 км от села Филькино. Выбирал место, проектировал и строил завод выдающийся инженер Александр Андреевич Ауэрбах - главноуправляющий БГО.

 С января 1896 года завод начал выплавку стали, а с марта - прокатку рельсов. Его продукция направлялась на строительство Великой Сибирской железнодорожной магистрали. Завод работал с полным металлургическим циклом на сырье из местных северных уральских месторождений. К началу XX века Надеждинский сталерельсовый завод был наиболее технически оснащенным предприятием Урала.

Заводской поселок по старой уральской традиции получил название Надеждинский завод. Почти все население было пришлым. Здесь осели рабочие-металлисты из уральских и южных городов, а также крестьяне из ближних и дальних губерний, пришедшие сюда в поисках заработка.

В начале XX века в поселке проживало около 30 тыс. человек, он был одним из самых крупных на Северном Урале. Здесь находились 8 начальных школ, заводская и земская больницы, аптека, церковь, народный дом, клуб служащих, 3 трактира.

В сентябре 1919 года по Постановлению Екатеринбургского губернского ВРК поселок Надеждинский завод был преобразован в город Надеждинск.

После гражданской войны Надеждинский завод медленно восстанавливал производство. Наряду с выпуском рельсов он освоил новые виды продукции, такие как листовой и сортовой прокат. С 1930 года после принятия правительственного решения о создании второй угольно-металлургической базы на востоке страны произошел коренной поворот в развитии завода, и изменена его специализация. Завод перешел на выплавку высококачественных марок стали и прокатку сортовых профилей. Построен крупнейший в мире цех холодного волочения стали, освоено производство подшипниковой стали. Сталелитейный завод определил профессии и судьбу города - города металла и металлургов.

В 1930-ые годы в городе развивалось деревообрабатывающее производство, создавались предприятия местной промышленности: хлебо- и молокозаводы, пивзавод, райпромкомбинат.

По Постановлению ВЦИК от 12 ноября 1923 года с образованием Уральской области город Надеждинск был определен как центр Надеждинского района.

Согласно Постановлению Президиума ВЦИК от 20 июня 1933 года г.Надеждинск выделен из Надеждинского района в самостоятельную административно-хозяйственную единицу с непосредственным подчинением облисполкому. Утверждена расширенная черта города с включением в нее селений Вятчининой, Мякоткиной, Медянкиной и земельного участка центрального углежжения.

В 1930-ые годы город неоднократно менял свое название.

19 января 1934 года Постановлением № 6809 Малого Президиума Уральского областного исполнительного комитета город Надеждинск был переименован в город Кабаковск. С 1934 по 1937 год город носил имя первого секретаря Уральского (потом Свердловского) обкома ВКП(б) Ивана Дмитриевича Кабакова. И.Д.Кабаков был репрессирован, его жизнь оборвалась в 1937 году. Город снова стал называться Надеждинском.

7 июня 1939 года Указом Президиума Верховного Совета СССР город Надеждинск был переименован в город Серов в честь легендарного летчика - Героя Советского Союза Анатолия Константиновича Серова. Так была увековечена память выдающегося надеждинца, бывшего сталевара металлургического завода.

В соответствии с Областным Законом от 12.07.2007 года №85-ОЗ "О границах муниципальных образований, расположенных на территории Свердловской области" в 2007 году к муниципальному образованию Серовский городской округ из состава Сосьвинского городского округа были присоединены сельские территории: Морозково, Еловка, Семёново, Поспелково, Андриановичи, Марсяты, Новая Еловка, Красноярка, Ключевой, Первомайский.

Самыми старыми населенными пунктами на территории нынешнего городского округа являются: деревня Морозково (первое упоминание об этой вогульской деревне относится к 1626 году) и деревня Поспелково, основанная выходцами из Меркушинской волости в 1627 году.

Первое упоминание о деревнях Марсяты и Семёново относится к 1714 году, когда жители-вогуличи этих деревень были обращены в христианство митрополитом Сибирским и Тобольским Филофеем.

Первое поселение на месте сегодняшнего села Андриановичи упоминается при ревизии народонаселения в России в 1816 году.