Город основан шведами в 1550 году под названием Гельсингфорс (швед. Helsingfors); основа helsing нередко встречается в скандинавской топонимии (например, Хельсингборг), но смысл её неясен, по мнению В. А. Никонова — этноним. Компонент -fors на шведском означает «водопад», поскольку первоначально город располагался у водопада. Финское название Хельсинки (фин. Helsinki) образовано от шведского названия водопада. В России/СССР до 1926 года была принята форма Гельсингфорс.
Основан 12 июня 1550 года шведским королём Густавом Васой, когда по королевскому указу несколько сот жителей города Порвоо обосновались на территории нынешнего городского района Арабиа. День подписания указа считается днём рождения города.
Однако оказалось, что место было выбрано неудачно — гавань была слишком мелкой, и в результате город был перенесён в район нынешней Рыночной площади (Кауппатори). Так возникло два населённых пункта: Гельсингфорс и Гаммельстадт (Гаммельстаден) — в буквальном переводе — старый город; но со временем они вновь слились в один город.
Вплоть до середины XVIII века Хельсинки оставался небольшим, сплошь деревянным городом, здесь нередко вспыхивали эпидемии чумы.
В 1748 году на островах близ Хельсинки шведами было начато строительство крепости Свеаборг, призванной защитить город с моря. В результате начался рост города; появляются первые каменные дома. Однако столицей шведской Финляндии оставался город Або.
Город захватывался русскими войсками четырежды — дважды в ходе Великой Северной войны, в мае и июле 1713 года; 24 августа 1742 года, в ходе русско-шведской войны 1741—1743 годов; 18 февраля 1808 года, в ходе русско-шведской войны 1808—1809 годов.
В 1809 году по Фридрихсгамскому мирному договору Финляндия отошла к России. Спустя три года, 12 апреля 1812 года, Александр I перенёс столицу в более восточный Гельсингфорс.
После этого был учреждён комитет по реконструкции, который возглавил военный инженер Юхан Альбрехт Эренстрём. В 1816 году на должность архитектора столицы Великого княжества был назначен Карл Людвиг Энгель — немецкий архитектор, приглашённый в Россию в 1809 году и успешно показавший себя в Ревеле. С этого времени начинается стремительная организованная застройка города.
Из Або (Турку) в столицу Финляндии был переведён университет, здание для которого спроектировал Энгель. Энгель также построил здание присутственных мест (ныне президентский дворец) и Николаевский собор, формирующий ансамбль Сенаатинтори (Сенатской площади). Сходство архитектурно-композиционных решений в застройке Гельсингфорса и Санкт-Петербурга обусловлено тем, что приезжающие в Россию иностранные архитекторы ориентировались на уже реализованные в Петербурге лучшие образцы модного в начале XIX века классицизма и русского ампира. Ход работ лично курировали император Александр I и его брат Николай.
В годы Крымской войны город подвергся обстрелу англо-французской эскадры. Значительных разрушений в городе этот обстрел не повлёк.
В 1860-х годах первая финская железная дорога соединила город с Риихимяки и Тампере. Бурно развивалась промышленность. В 1870 году железная дорога соединила Хельсинки с Петербургом.
После провозглашения независимости в ходе гражданской войны в Финляндии город был некоторое время занят частями финской красной армии. Однако в результате наступления немецкого десанта, высаженного в тыл красным финнам, город перешёл под контроль финского парламента, и на короткое время стал столицей марионеточного «Королевства Финляндия». Столица независимой Финляндии после окончания Первой Мировой Войны.
После окончания гражданской войны в Финляндии 1918 года город продолжал динамично развиваться. Значительно расширилась его территория, росли новые жилые кварталы. Широкую известность приобрёл, например, «город-сад» Тапиола (фин. Tapiola, швед. Hagalund; административно подчинённый Эспоо).
30 ноября 1939 года СССР начал бомбардировку Хельсинки бомбами ФАБ-500 и ФАБ-250, а также кассетными бомбами РРАБ-2. В результате трёх авианалётов было разрушено 2 тыс. зданий, погибло более 900 чел., свыше 500 чел. получили тяжёлые ранения. Бомбардировки Хельсинки осуществлялись в годы Второй мировой войны 39 раз.
В 1952 году город принимал XV летние Олимпийские игры.
В 2007 году в городе был проведён ежегодный конкурс песни «Евровидение».