В Португальской колонии на территории Бразилии 1 марта 1565 года был основан город Рио-де-Жанейро. Поселение основал командир войск колонистов Эштасиу ди Са вместе с иезуитским миссионером Жозе ди Аншиета. Первоначально назывался Сан-Себастьян де Рио-де-Жанейро, в честь португальского короля Себастьяна I. Первым губернатором поселения стал Эштасиу ди Са.

Залив Гуанабара был открыт португальским мореплавателем Гашпаром ди Лемушем 1 января 1502 года. Португальцы приняли залив за устье реки - отсюда название города, в переводе с португальского означающее январская река. В 1555 году район современного Рио-де-Жанейро занят французами, но вскоре португальцы восстановили контроль над территорией.

В 1572 году для усиления обороны этих мест было создано генерал-губернаторство Рио-де-Жанейро, однако в 1578 году они были возвращены под власть генерал-губернаторства Бразилия. В 1607 году генерал-капитанство было воссоздано вновь, однако в 1613 году территория опять была возвращена под власть генерал-губернатора.

В 1621 году генерал-губернаторство было ликвидировано, а его территория - разделена между двумя штатами. Залив Гуанабара с прилегающими землями оказался в составе штата Бразилия. В 1763 году столица Бразилии была перенесена из Салвадора в Рио-де-Жанейро.

В конце XVIII века наступил экономический спад: Центральная Америка успешно вытесняла Южную с рынка сахара, добыча золота и алмазов уменьшилась. В 1796 году экспорт через порт Рио-де-Жанейро составил менее половины стоимости экспорта 1760 года. Однако новый толчок развитию города дали Наполеоновские войны: в 1808 году португальская королевская семья бежала из Европы в Южную Америку и сделала Рио-де-Жанейро столицей.

С 1808 по 1818 годы в Рио-де-Жанейро были построены и отреставрированы сотни зданий. В 1815 году было провозглашено Соединенное королевство Португалии, Бразилии и Алгарве. В 1821 году король Жуан VI был вынужден вернуться в Лиссабон, оставив Бразилию своему сыну Педру. В следующем году Педру провозгласил независимость Бразилии, и Рио-де-Жанейро стал столицей Бразилии. В это время в городе проживало 113 тысяч человек и имелось 13,5 тысяч зданий.

Расширение экспорта кофе привело к росту населения столицы и повышению его благосостояния. Возникали новые районы, в которых селились банкиры и плантаторы. В 1835 году началось регулярное пароходное сообщение с Нитероем, а в 1838 году в городе появился первый общественный транспорт - омнибус. В 1852 году Рио-де-Жанейро был связан железной дорогой с Петрополисом, в 1858 - с Нова-Игуасу.

В 1854 году уличные светильники были переведены с масла на газ, в 1864 году в городе появилась канализация, в 1868 по улицам начала ходить конка, с 1877 года начала развиваться телефонная сеть.

В 1889 году Бразилия стала республикой. Согласно переписи 1890 года в Рио-де-Жанейро проживало 520 тысяч человек и он занимал площадь 158 километров, что делало его крупнейшим городом страны и одним из крупнейших городов мира. Конституция 1891 года выделила его в отдельный федеральный округ. В период с 1902 по 1906 годы город подвергся реконструкции: осушались болота, расширялись и благоустраивались улицы.

В 1920 году население федерального округа превысило миллион человек, а в 1940 году достигло 1 миллиона 750 тысяч человек. Развивалась промышленность, изменялся ландшафт, в городе появились первые небоскребы и электрический транспорт. К 1960 году население города превысило 3,3 миллиона человек.

В 1960 году столица страны была перенесена в Бразилиа, что несколько замедлило, но не остановило рост населения города: в 1980 году население города превысило 5 миллионов человек, и еще 3,6 миллионов человек проживали в пригородах. В связи с переносом столицы бывший федеральный округ был преобразован в штат Гуанабара.