Первые предложения по созданию метро в Москве появились ещё в 1875 году, когда возникла идея проложить линию от Курского вокзала через Лубянскую и Трубную площади до Марьиной Рощи. Против проекта выступила имевшая в то время большое влияние церковь: «Человек, созданный по образу и подобию Божьему, может унизить себя, спустившись в Преисподнюю».

В 1902 году инженеры П. И. Балинский и Е. К. Кнорре предложили проект сметной стоимостью 155 млн рублей, по которому метро должно было соединить Замоскворечье с Тверской заставой подземной линией. Однако городская дума отклонила его, вынеся резолюцию: «Господам Кнорре и Балинскому в их домогательствах отказать…». Гласные думы усомнились в проработанности проекта, играло роль и существовавшее тогда трамвайное лобби (трамвай приносил тогда значительную часть прибыли в казну).

В том же 1902 году инженерами путей сообщения А. И. Антоновичем, Н. И. Голиневичем и Н. П. Дмитриевым был разработан проект Московской городской железной дороги. В отличие от проекта Кнорре и Балинского, он предусматривал как подземные (в центре города), так и надземные линии по грунту или на эстакадах — на окраинах. Планировались четыре радиальных линии и одна кольцевая по трассе Камер-Коллежского вала с пересадками.

В 1913 году Московская городская управа разработала свой проект подземной железной дороги, состоящей из трёх подземных диаметров: Таганско-Тверского (от Тверской заставы до Калитников); Арбатско-Мясницкого (от Каланчёвской площади до Брянского (Киевского) вокзала) и Виндавско-Замоскворецкого (от Виндавского (Рижского) вокзала до нынешней платформы ЗИЛ).

Известен детально проработанный проект электротехника М. К. Поливанова от 1916 года. Тоннели трёх подземных диаметров соединялись с путями магистральных железных дорог, пригородные участки которых должны были быть электрифицированы.

В 1923 году к реализации проекта московского метро сметой в 30 млн рублей на правах концессии приступила немецкая компания Siemens Bauunion GmbH, — как и многие инфраструктурные проекты периода НЭПа московский метрополитен был не муниципальным предприятием, а ПИИ. К 1925 году немецкий проект, включавший 80 км тоннелей и 86 станций, был готов. Однако денег на реализацию не нашли, и проект Siemens Bauunion GmbH остался на бумаге. В 1925 году был разработан проект Мясницкого радиуса, но он не был осуществлён.

15 июня 1931 года на Пленуме ЦК ВКП(б) после доклада первого секретаря Московского горкома партии Лазаря Кагановича было принято решение о строительстве Московского метрополитена. Несмотря на это, сам Каганович видел решение транспортной проблемы в электрификации пригородных направлений и использование их в самой Москве, однако должен был подчиняться И. В. Сталину. Тем не менее, по сути реализацию этих планов можно наблюдать в современности в виде МЦД.

Положение о Метрострое утвердил 13 сентября 1931 года Совнарком РСФСР, а 2 октября — Совнарком СССР. Первым главой Метростроя стал Павел Роттерт. Основой проекта стал изменённый проект Siemens-Bauunion, предполагавший строительство открытым способом. Где это было невозможно (под домами, железными дорогами), наметили строительство тоннелей от вертикальных шахт.

В ноябре 1931 года начали строить первый опытный участок на Русаковской улице. В ходе проектирования возник спор о типе будущих станций метро, какие у них должны будут быть платформы: островные или береговые. Решили остановиться на трёхсводчатой станции с островной платформой. Для подъёма пассажиров на поверхность планировали использовать эскалаторы. Московский инженер В. Л. Маковский обосновал возможность и необходимость прокладки в сложных условиях московских грунтов тоннелей глубокого заложения.

В 1933 году утвердили технический проект первой очереди метрополитена, тогда же трест Метрострой начал основные строительные работы. Маршрут первой очереди разработали, исследовав пассажиропоток московского трамвая: подземкой решили повторить самые напряжённые его маршруты.

Для строительства по-прежнему не хватало людей. По решению созванного 29 декабря 1933 года пленума Моссовета за каждым московским предприятием закреплялся отдельный участок линии метрополитена. Рабочие московских заводов и фабрик в добровольно-принудительном порядке направлялись на многотысячные субботники. Среди москвичей строительство метро, куда уходило огромное количество средств, вызывало раздражение.

При прокладке участков метрополитена применялись различные способы. Сооружение участков от станции «Сокольников» до станции «Комсомольская» и от станции «Библиотека имени Ленина» до станции «Парк культуры» велось открытым способом. Тоннели между станциями «Улица Коминтерна» (с 1990 года — «Александровский сад») и «Смоленская» возводили траншейным способом. На участке глубокого заложения от «Охотного Ряда» до «Площади Дзержинского» (с 1990 года — «Лубянка») была применена щитовая проходка. При прокладке переходных (от мелкого заложения к глубокому) участков от «Комсомольской» до «Красных Ворот» и от «Охотного Ряда» до «Библиотеки имени Ленина», где встретились плывуны, строители использовали кессонный способ с применением сжатого воздуха, замораживание и силикатизацию грунтов, искусственное водопонижение. 15 октября 1934 года по только что построенному участку линии был пущен первый поезд, состоявший из двух вагонов.

В начале XXI века стало бытовать мнение, что к строительству московского метро привлекали заключённых ГУЛАГа. Это не подтверждают специалисты, изучающие историю транспорта и работающие с историческими документами. Они выяснили, что данное мнение восходит к работе 2009 года культуролога с факультета искусств МГУ Зиновьевой О. А., которая подала это как свою точку зрения, ничем её не подкрепив. Мнение не подтверждается фундаментальной работой немецкого социолога Дитмара Нойтатца СССР «Московское метро от первых проектов до великой стройки сталинизма», в которой он исследует социальный состав строителей метрополитена.

Первоначально Народный коммиссариат путей сообщения РСФСР потребовал строительство линии по железнодорожному габариту для возможности проезда по путям метрополитена пригородных поездов (по аналогии с линией Метропо́литен в Лондоне), однако позже это было признано нецелесообразным и отменено.

Участки от «Сокольников» до «Комсомольской», от «Библиотеки имени Ленина» до «Парка культуры» и от «Александровского сада» до «Смоленской» сооружались открытым способом. На участке глубокого заложения от «Охотного Ряда» до «Площади Дзержинского» использовали английский метод щитовой проходки.

К проведению доводочных работ, — отделочно-декоративных, прокладки кабельной сети и др., — привлекались квалифицированные европейские и американские рабочие и техники.

4 февраля 1935 года прошёл первый пробный поезд, а 6 февраля 1935 года Московский метрополитен сдали в эксплуатацию. Машинистом электропоезда с руководителями партии и правительства был Николай Алексеевич Крейцберг, ветеран гражданской войны, ранее участвовавший в пуске первых троллейбусов в Москве (в 1936 году был арестован органами НКВД как враг народа). Для рядовых москвичей метрополитен открыли 15 мая 1935 года.

Первоначально должен был открыться не 15 мая 1935 года, а 7 ноября 1934 года.

При пробном пуске первого поезда в феврале 1935 года (планировался в январе) не были готовы устройства СЦБ, отвечающие за безопасность движения.

Первым пассажиром Московского метрополитена стал инвалид русско-японской войны, 75-летний пенсионер Ю. Х. Забровский, который потом пришёл и на открытие станции «Площадь Свердлова», а также «Курская» и «Площадь Революции» в 1938 году. Работники метрополитена его уже узнавали и пригласили на открытие новых станций Горьковского радиуса. В кинохронике, смонтированной из съёмок с разных станций, кадры с Ю. Х. Забровским сопровождались закадровым комментарием, что это — герой труда с завода «Красный пролетарий» Пётр Николаевич Латышев, который купил 15 мая 1935 года в кассе открывшейся станции «Сокольники» билет № 1 серии «А». А газета «Рабочая Москва» 15 мая 1935 года также опубликовала фотографию Ю. Х. Забровского, именуя его Петром Латышевым.

Пусковой комплекс включал 11,2 км трассы, 13 станций и 12 составов. Первая очередь шла от станции «Сокольники» до станции «Охотный Ряд», далее разделялась на две части: одна шла до «Парка культуры», другая — на «Смоленскую». Вторая из них, ставшая затем Филёвской линией, в 1937 году дошла до станции «Киевская», пересекая при этом Москву-реку по мосту. До начала Великой Отечественной войны были открыты ещё две линии. В марте 1938 года Арбатскую линию продлили до станции «Курская» (теперь участок относится к Арбатско-Покровской линии). В сентябре 1938 года открылась Горьковско-Замоскворецкая линия — от станции «Сокол» до станции «Площадь Свердлова».

Во время Великой Отечественной войны метро использовали как бомбоубежище. За время авианалётов в метро родилось 217 детей.

15 октября 1941 года Л. М. Каганович приказал закрыть Московский метрополитен, в течение 3 часов подготовить предложения по его уничтожению как стратегически важного объекта. Метро предполагалось уничтожить, а оставшиеся вагоны и оборудование вывезти. Утром 16 октября 1941 года в день паники в Москве метрополитен впервые не был открыт. Это был единственный раз в истории московского метро, когда оно не работало. Однако увидев, к чему это приводит, Государственный комитет обороны признал ошибочным такое решение — через несколько часов приказ об уничтожении метро был отменён и в 14:12 на Кировско-Фрунзенскую линию подали напряжение, в 18:05 поступил приказ о возобновлении движения, а в 18:45 пошёл первый поезд. То же самое было и на тогдашнем Горьковском радиусе (ныняшняя Замоскворецкая линия), но ввиду большего количества требовавшихся работ, движение на нём было вновь запущено только 17 октября.

В связи с тем что Москва становилась прифронтовым городом, осенью 1941 года началась эвакуация оборудования метрополитена. 179 вагонов метро были отправлены в Андижан, и с октября 1941 года по май 1942 года парк подвижного состава составлял всего 105 вагонов.

Строительство третьей очереди Московского метрополитена началось в 1940 году, ещё до начала Великой Отечественной войны. В начале войны оно было заморожено, однако возобновилось в мае 1942 года, после отвода угрозы захвата Москвы. Были введены в строй два отрезка пути: в январе 1943 года — «Площадь Свердлова» — «Завод имени Сталина» (с 1956 года «Автозаводская») (с пересечением Москвы-реки в глубоком тоннеле, причём станции «Павелецкая» и «Новокузнецкая» были открыты позже, в ноябре 1943 года, а в январе 1944 года — «Курская» — «Измайловский парк» (с 2005 года «Партизанская») (4 станции). На 7 станциях, построенных в военное время, имеются памятные таблички «Сооружено в дни Отечественной войны».

После войны начали строительство четвёртой очереди метрополитена — Кольцевой линии и глубокой части Арбатской линии от «Площади Революции» до «Киевской». Кольцевую линию первоначально предполагали строить под Садовым кольцом. Первая очередь линии — от «Парка культуры» до «Курской» (1950) расположена как раз под Садовым кольцом. Позже решили строить северную часть Кольцевой линии за пределами Садового кольца, обеспечивая доступ к семи из девяти вокзалов столицы. Вторая очередь Кольцевой линии открылась в 1952 году («Курская» — «Белорусская»), а в 1954 году строительство линии было завершено.

Строительство глубокой части Арбатской линии было связано с началом холодной войны. Станции глубокого заложения должны были служить бомбоубежищами в случае ядерной войны. После завершения строительства линии в 1953 году часть линии (от «Калининской» до «Киевской») была закрыта, но в 1958 году открылась вновь как часть Филёвской линии.

С 1955 года в связи с постановлением ЦК КПСС и Совета министров СССР «Об устранении излишеств в проектировании и строительстве» упор в развитии метрополитена был сделан на увеличение темпов строительства за счёт удешевления строительства станций. На каждую станцию стали выделять определённую сумму, и в неё необходимо было уложиться. От дорогих индивидуальных проектов каждой станции стали переходить к дешёвым типовым проектам. Последними станциями, построенными в классическом сталинском стиле, стали «Фрунзенская» и «Спортивная», открытые 1 мая 1957 года.

В конце 1950-х и в 1960-е годы развивалась концепция радиусов, соединённых лишь с Кольцевой линией: в 1958 году открылся Рижский радиус, в 1962 году — Калужский, в 1966 году — Ждановский, в 1972 году — Краснопресненский. В 1971 и 1975 годах соответственно радиусы были объединены в диаметральные линии — Калужско-Рижскую и Ждановско-Краснопресненскую. С конца 1970-х по начало 1990-х введены Калининская (1979—1986) и Серпуховско-Тимирязевская (1983—1994) линии, которые были построены по подобному проекту, сначала как радиус от кольца с постепенным продлением в обратном направлении, через центр, с образованием нового диаметра. В середине 1980-х годов появляется концепция скоростных хордовых линий метро, ведущих в спальные районы и аэропорты за пределами МКАД. Позднее вследствие снижения финансирования метрополитена эти планы были отложены на неопределённый срок.

В последние годы существования СССР началось строительство Люблинской линии.

Прокладка тоннеля метро (1935 год) Станция метро в разрезе (проект) (1935 год) Поезд в тоннеле метро (1935 год) Поезд в тоннеле метро (1938 год)

В 1992—1994 годах достроили северный участок Серпуховско-Тимирязевской линии, от «Отрадного» до «Алтуфьева» (с промежуточной станцией «Бибирево»). В 1995 году открыли Люблинскую линию, запроектированную ещё в середине 1980-х. В середине 1990-х появились новые проекты развития скоростного транспорта Москвы: лёгкое метро, монорельс, мини-метро и скоростная транспортная система. Реализованы из них в итоге по сути только два: «мини-метро» (ответвление с обозначением «4А» Филёвской линии) и монорельс. В 2000—2001 годах достроили южный участок Серпуховско-Тимирязевской линии, от «Пражской» до «Аннина», в конце 2002 года открыли конечную станцию «Бульвар Дмитрия Донского», впервые выводившую метро за МКАД, оставаясь при этом на территории Москвы (район Северное Бутово). В 2003 году пущена Бутовская линия, в то время полностью расположенная за МКАД. В 2004 году была построена линия монорельса. Планировался проект мини-метро изначально как частное ответвление от станции «Киевская» Филёвской линии в сторону делового центра «Москва-Сити». Оно должно было иметь кривые меньшего радиуса, более крутые подъёмы и более короткие платформы по сравнению с обычным метрополитеном. Однако затем от мини-метро отказались, и в итоге в 2005 году было построено простое ответвление с двумя станциями: «Выставочная» и «Международная».

В 2003—2009 годах Арбатско-Покровскую линию продлили от станции «Киевская» до «Митино», включая в себя участок Филёвской линии. На этой линии построена первая станция на территории Московской области и одновременно первая станция, построенная на частные деньги, — «Мякинино». В 2007—2010 годах Люблинско-Дмитровскую линию продлили через центр города до станции «Марьина Роща».

15 мая 2010 года Московскому метрополитену исполнилось 75 лет. В честь юбилея на всех станциях установили памятные доски с датой открытия станции и именами архитекторов. Но при оформлении досок возникли разночтения с данными официального сайта метрополитена, большая часть в датах переименований — переименования 5 ноября 1990 года на некоторых станциях на досках датированы 1991 годом, а годом переименования «Воробьёвых гор» указан 2002 (а не 1999, хотя на момент официального переименования станция была закрыта на реконструкцию); исключение среди данного ряда ошибок составила дата открытия участка «Савёловская» — «Отрадное» (на сайте указано 1 марта 1991 года, на досках — 7 марта).

В декабре 2011 года открыли южный участок Люблинско-Дмитровской линии от станции «Марьино» до станции «Зябликово».

В августе 2012 года вышла за пределы МКАД ещё одна линия — Калининская. Была открыта станция «Новокосино», некоторые выходы которой частично расположены в подмосковном Реутове. В декабре того же года открыли станции метро «Алма-Атинская» (Замоскворецкая линия) и «Пятницкое шоссе» (Арбатско-Покровская линия), ставшие конечными станциями этих линий. В ноябре 2013 года Таганско-Краснопресненская линия была продлена в районы Москвы за МКАД, с открытием станций «Лермонтовский проспект» и «Жулебино».

В январе 2014 года пущен участок Солнцевской линии от «Парка Победы» до станции «Деловой центр». В феврале Бутовская линия была продлена до пересадки с Калужско-Рижской линией с открытием станций «Лесопарковая» и «Битцевский парк». В августе на действующем перегоне между станциями «Щукинская» и «Тушинская» открылась станция «Спартак», заложенная ещё в 1970-х годах, но остававшаяся законсервированной на протяжении почти сорока лет. В декабре была открыта станция «Тропарёво», ставшая первым этапом продления Сокольнической линии.

В сентябре 2015 года открыли станцию «Котельники», имеющую выходы сразу в трёх городах. В декабре открыли станцию «Технопарк» на наземном перегоне между станциями «Автозаводская» и «Коломенская». В январе 2016 года метро пришло в Новую Москву с открытием станции «Румянцево» на Сокольнической линии. В феврале была открыта следующая за ней «Саларьево», ставшая двухсотой станцией Московского метро.

10 сентября 2016 года пущено пассажирское движение по Московскому центральному кольцу (сокращённо МЦК, ранее МКЖД). Через 6 дней открыли первый этап северного радиуса Люблинско-Дмитровской линии от станции «Марьина Роща» до станции «Петровско-Разумовская» с промежуточными станциями «Бутырская» и «Фонвизинская». С вводом нового участка были распределены потоки пассажиров на станции «Петровско-Разумовская», поэтому уменьшилась нагрузка на Серпуховско-Тимирязевскую линию.