שורשיה של העיר מתוארכים לאלף הראשון, כששבט הקיטוּ התיישב באזור, והפכהּ למרכז מסחרי. על פי ספרו של חואן דה ולאסקו משנת 1767, "היסטוריה של ממלכת קיטו", שטחו של שבט הקיטו נכבש על ידי שבט הקראס, שהקים את ממלכת קיטו בסביבות שנת 980 לספירה. בשנת 1426 האינקה כבשו את ממלכת קיטו. ב-1533, רומינהוי, גנרל מלחמה משבט האינקה, שרף את העיר כדי למנוע מהספרדים לכובשה, ובכך הרס כל זכר לתקופה הפרהיסטורית בעיר.

התנגדות המקומיים לכיבוש הספרדי נמשכה עד שנת 1534. פרנסיסקו פיסארו הקים את העיר ב-15 באוגוסט אותה השנה. ב-6 בדצמבר 1534, לעיר הגיעו כ-204 מתיישבים בהנהגתו של סבסטיאן דה בנאלקאסר, שהוציא להורג את רומינהוי, ובכך סיים את ההתנגדות המקומית. ב-14 במרץ 1541, הוכרזה קיטו כעיר, וב-14 בפברואר 1556 ניתן לה התואר "סן פרנסיסקו דה קיטו, עיר אצילית ונאמנה עד מאוד" (Muy Noble y Muy Leal Ciudad de San Francisco de Quito). ב-1563, קיטו הפכה למושב הנהלת מחוז ספיין, וחלק ממלכות המשנה של פרו, שבירתה הייתה לימה.

מיד לאחר הקמתה, החלו הספרדים להביא אליה את הנצרות הקתולית, בהקמת כנסייה ראשונה (אל בלן), שהוקמה עוד לפני שהוכרזה כעיר. בינואר 1535, מנזר סן פרנסיסקו הוקם בעיר, הראשון מבין 20 כנסיות ומנזרים שהוקמו בה במהלך התקופה הקולוניאלית. הספרדים הטיפו נמרצות לנצרות בקרב התושבים, אך גם השתמשו בהם כעבדים לצורכי בנייה, בייחוד בתחילת התקופה הקולוניאלית. בישופות קיטו הוקמה ב-1545, ושודרגה לארכיבישופות קיטו בשנת 1849.

ב-1809, לאחר כמעט 300 שנות שלטון ספרדי, בקיטו התגוררו כ-10,000 תושבים. ב-10 באוגוסט 1809, תנועת עצמאות קמה בקיטו, ששאפה לעצמאות פוליטית מספרד. הם תכננו תוכנית לממשלה בהנהגתו של חואן פיו מונטופר, שבה יישבו עוד מספר פעילים ציבוריים בולטים. אך תנועה התחלתית זו נפלה סופית ב-2 באוגוסט 1810, כשכוחות ספרדים מלימה הגיעו לעיר, והרגו את מנהיגי ההתקוממות יחד עם עוד 200 מתושבי העיר. סדרת מאבקים הסתכמו ב-24 במאי 1822, כשסימון בוליבר הוביל את כוחותיו לקרב פיצ'ינצ'ה. ניצחונם זה סימן את עצמאות קיטו והשטחים שמסביבה.

ימים אחדים לאחר קרב פיצ'ינצ'ה, מנהיגי העיר הכריזו על עצמאותם והתירו לרפובליקת קולומביה הגדולה לספח את העיר לשטחה. כשהתפרקה קולומביה הגדולה בשנת 1830, קיטו הפכה לבירת הרפובליקה החדשה של אקוודור.

בשנת 1833 חברי אגודת התושבים החופשיים של קיטו נרצחו על ידי הממשלה, לאחר שקשרו קשר נגדם, וב-6 במרץ 1845, החלה המהפכה המרסיסטית. מאוחר יותר, ב-1875 נשיא המדינה גבריאל גרסיה מורנו נרצח בקיטו. שנתיים לאחר מכן, ב-1877, הארכיבישוף חוסה איגנסיו צ'קה אי ברבה הורעל ומת.

ב-1882, מרד קם נגד שלטונו של הדיקטטור איגנסיו דה ויינטמייה. ב-9 ביולי 1883, המפקד הליברלי אלוי אלפארו לקח חלק בקרב גואיאקיל, ומאוחר יותר, לאחר מאבק נוסף, הפך לנשיא אקוודור ב-4 בספטמבר 1895. לאחר סיום כהונתו השנייה ב-1911, הוא עבר לאירופה. לאחר חזרתו לאקוודור ב-1912, וניסיונו המחודש לעלות לשלטון, הוא נאסר ונרצח על ידי המון שפרץ לכלא. גופתו הובלה ברחובות קיטו עד לפארק העירוני, בו הוא הועלה למוקד.

ב-1932, פרצה מלחמת ארבעת הימים, מלחמת אזרחים שפרצה בעקבות עלייתו של נפטלי בוניפס לשלטון, לו היה פספורט פרואני.

עובדי מפעל טקסטיל חשוב בעיר יצאו לשביתה בשנת 1934, ואי שקט תעשייתי דומה שורר בעיר עד היום. ב-12 בפברואר 1949 משדר רדיו ריאליסטי של הנובלה "מלחמת העולמות" גרם לבהלה בעיר ולמותם של שישה אנשים שמתו בשרפות שנוצרו על ידי ההמון.

בשלהי המאה ה-20 ותחילת המאה ה-21 הייתה קיטו מוקד להפגנות רבות שהובילו להתפטרותם של הנשיאים אבדלה בוקראם (1997), ג'מיל מחואד (2000), ולוסיו גוטיירס (2005).