De baai waaraan de stad ligt werd in 1494 ontdekt door Christoffel Columbus tijdens zijn tweede reis. De Baai van Santiago de Cuba, omgeven door de bergen van de Sierra Maestra, was een veilige ankerplaats. Santiago de Cuba werd op 25 juli 1515 gesticht door de Spaanse conquistador Diego Velázquez de Cuéllar. Een jaar later werd de nederzetting door brand verwoest, maar werd onmiddellijk herbouwd. Dit was het startpunt van de expedities onder leiding van Juan de Grijalva en Hernán Cortés naar de kusten van Mexico in 1518, en in 1538 door de expeditie van Hernando de Soto naar Florida. De eerste kathedraal werd in 1528 in de stad gebouwd en van 1522 tot 1589 was Santiago de hoofdstad van de Spaanse kolonie Cuba.

Eind 18e en begin 19e eeuw kreeg de stad een grote toestroom van Franse en Britse immigranten te verwerken. De Haïtiaanse Revolutie (1791-1804) was uitgebroken en veel blanken met hun slaven arriveerden uit Saint-Domingue. De Franse invloed was van korte duur. Na de inval van de troepen van Napoleon Bonaparte in Spanje en de strijd die ontbrandde, de Spaanse Onafhankelijkheidsoorlog (1808-1814), kregen de Franse burgers in 1809 het bevel Cuba te verlaten. Velen vertrokken naar New Orleans in de Verenigde Staten.

Tijdens de korte Spaans-Amerikaanse Oorlog leden de Spaanse troepen op 1 juli 1898 bij San Juan Hill een nederlaag. Na het veroveren van de omliggende heuvels, belegerde de Amerikaanse generaal William Rufus Shafter de stad. Een Spaans squadron van zes schepen lag in de haven die door de Amerikaanse marine werd geblokkeerd. Op 3 juli 1898 deden zij een uitval, maar alle zes schepen, inclusief de Cristóbal Colón, werden vernietigd. Cuba had zich onafhankelijk verklaard van Spanje, maar werd bezet door Amerikaanse troepen voor verscheidene jaren.

José Martí (1853-1895), een Cubaanse dichter, schrijver en nationale held, ligt begraven op de Santa Ifigenia-begraafplaats in deze stad.

Op 26 juli 1953 viel een groep revolutionairen onder leiding van Fidel Castro de Moncadakazerne aan. De aanval mislukte, maar legde wel de basis voor de Cubaanse Revolutie waaraan in december 1958 in Santa Clara een einde kwam.