Comprèn la capçalera de la riera de Vallvidrera (afluent, per l’esquerra, del Llobregat a Molins de Rei, que neix sota els turons de can Pasqual, passa pel nucli vell de Vallvidrera, per les planes de Vallvidrera, les Cases de la Rierada i sota Sant Bartomeu de la Quadra).
El centre del terme (que comprèn també la caseria i antic centre popular d’esbarjo dominical de les Planes de Vallvidrera) era l’església parroquial (Santa Maria), esmentada ja el 987 dins el terme de Valldoreix i amb caràcter parroquial des del segle XIII (des del 1391 pertanyent al capítol de la seu de Barcelona), feta de nou el 1540 i abandonada des del 1936. El lloc, que formava part del terme del castell d’Olorda, fou venut el 1355 pel rei a Pere Desllor. El 1377 era dels Relat, i el 1382 dels Requesens, i retornà a la corona el 1385; alienat de nou, el 1420 era altre cop dels Relat, i el 1430 dels Requesens, però retornà a la corona el 1431. A la fi del segle formava part del territori de la ciutat de Barcelona. Fou sempre un nucli rural, poc poblat, de població dispersa, que el 1892 fou agregat a Sarrià (i, juntament amb aquest municipi, passà al de Barcelona el 1921). Al moment de l’annexió, però, ja havia començat a esdevenir un centre d’estiueig dels barcelonins, amb la construcció de cases i d’hotels, al mateix coll de Vallvidrera i al llarg de la carena, dominant el pla de Barcelona; el 1905 hi arribà el tramvia, i el 1906 fou inaugurat el funicular des del final de la línia prolongada del ferrocarril de Barcelona a Sarrià; aquest ferrocarril el 1916 havia travessat ja la serra de Collserola i arribava a Vallvidrera.
El 1915 fou inaugurat a les Planes el Teatre de la Natura (abandonat aviat per les males condicions acústiques), i aquells mateixos primers anys del segle XX s’havia construït a la capçalera de la riera de Vallvidrera el pantà de Vallvidrera (reserva d’aigua potable per a Barcelona). Al costat de les cases i les torres d’estiueig (que a poc a poc han anat esdevenint residències permanents) sorgiren nuclis de cases humils, especialment a les Planes i al vessant barceloní del coll de Vallvidrera, fora de tot pla d’urbanització. Damunt l’antiga església parroquial s’alça la gran Vil·la Joana, on morí Jacint Verdaguer el 1902, convertida actualment en un museu dedicat al poeta. El 1991 fou inaugurat el túnel de Vallvidrera, que, travessant la serra de Collserola, uneix Barcelona amb el Vallès Occidental.
L’any 2021 es remodelà l’antic mercat (1953) obra dels arquitectes Adolf Florensa i Bonaventura Bassegoda, tancat des del 2009, per a convertir-lo en un centre cultural.
Des del 1984 Vallvidrera forma un barri dins del districte de Sarrià-Sant Gervasi, juntament amb el sector del Tibidabo i de les Planes, que el 2009 tenia 4.295 h.