Die Gegend, in welcher sich das heutige Melbourne ausbreitet, wurde zum ersten Mal im Jahre 1803 von den Europäern erkundet. 1835 kamen rivalisierende Gruppen aus Tasmanien als Siedler in der australischen Gegend an und nannten ihre neue Heimat Port Phillip. Dieser Gründungsakt geht insbesondere auf John Batman und John Pascoe Fawkner zurück. Batman, ein Repräsentant der 1835 etablierten Port Phillip Association, kaufte den ortsansässigen Aborigines etwa 240.000 Hektar ihres Landes ab und gründete auf der Nordseite des Yarra River eine Siedlung, der sich im Oktober desselben Jahres Fawkner anschloss. Letzterer sollte von da an die Siedlungsaktivitäten sehr ergeizig vorantreiben.

Die Stadt Melbourne erhielt im Jahre 1837 ihren heutigen Namen. Dieser wurde zu Ehren von William Lamb, Second Viscount Melbourne vergeben, dem damaligen Premierminister Großbritanniens. Während viele australische Städte zunächst eine wenig ruhmreiche Anfangsgeschichte als Strafklolonie hinter sich bringen mussten, wurde Melbourne schon von Beginn an als Wohngebiet mit großen Parkanlagen und breiten Straßen konzipiert. Bereits fünf Jahre nach der Stadtgründung lebten schon mehr als 10.000 Menschen in der Region um Melbourne.

Im Jahre 1851 ging Melbourne vom Staat New South Wales an die neu ins Leben gerufene britische Kolonie Victoria über und wurde sogar deren Hauptstadt. Zu diesem Zeitpunkt setzte auch eine faszinierende Wachstumsphase ein. Diese hing mit Goldfunden v.a. bei Bendigo und Ballarat gleich zu Beginn der 1950er zusammen, die natürlich viele Glückssuchende in die damals noch junge Stadt zog. Schnell wurde Melbourne zum Handels- und Geschäftsszentrum der Goldsuchendenden aus Übersee.

Zum auslaufenden 19. Jahrhundert hin war Melbourne auch zu einem bedeutenden Eisenbahnknotenpunkt geworden. Der große Hafen der Stadt wurde erheblich erweitert und von wichtigen Industriebetrieben besiedelt.

Nachdem der Australische Bund gegründet worden war, fungierte Melbourne im Jahre 1901 für kurze Zeit als Sitz der australischen Bundesregierung. Indes wurde der Retortenstadt Canberra im Jahre 1913 dieser Status zugesprochen. Die Bundesregierung schließlich zog 1927 in die neue Hauptstadt Australiens um. Die Einwohnerzahl Melbournes hat sich bis heute seit den 1950ern fast verdoppelt.

Im Jahre 1956 hatte Melbourne die große Ehre, die Olympischen Sommerspiele ausrichten zu dürfen. Die Stadt setzte sich mit nur einer Stimme Vorsprung gegen Buenos Aires und andere Bewerber durch.