Fou creat el 1981 a Los Angeles per James Hetfield (veu i guitarra), Dave Mustaine (guitarra), Lars Ulrich (bateria) i Ron McGovney (baix). El 1983, Mustaine (futur líder de Megadeth) i McGovney abandonaren el grup i foren substituïts per Kirk Hammett (guitarra) i Cliff Burton (baix). El nou quartet debutà amb el disc Kill ‘em All (1983), al qual seguiren Ride the Lightning (1984) i Master of Puppets (1986), treballs que el consolidaren i el destacaren en les noves tendències del heavy-metal.
El 1986, Burton morí en un accident de circulació durant la gira i fou substituït per Jason Newsted. La nova formació mantingué la trajectòria ascendent, en termes de popularitat, amb els discs And Justice for All (1988) i Metallica (1991), conegut com “àlbum negre”. El 1993 publicà la caixa amb material en directe Live Shit. El 1996 suavitzà el seu so en l’àlbum Load, seguit, un any després, de Reload, treballs que provocaren polèmica entre els seus seguidors. El 1998 veié la llum el disc de versions Garage Inc. i, el 1999, S & M, un treball amb adaptacions orquestrals dels seus temes clàssics.
El 2003, Newsted abandonà el grup, que publicà St. Anger, àlbum en el qual el productor Bob Rock s’encarregà del baix. La plaça fou ocupada, en endavant, per Robert Trujillo (exmembre de Suicidal Tendencies). El 2008, el renovat quartet publicà Death Magnetic, en què recuperà el so trash-metal de la seva etapa clàssica. Seguiren Metallica through the Never (2013) i Hardwired… to Self-destruct (2016). A banda, en col·laboració amb Lou Reed, el 2011 publicaren Lulu, inspirada en l'òpera homònima de Frank Wedekind, de marcat caràcter experimental. El 2018 el grup rebé el Premi Polar de Música (compartit amb l’Instiut Nacional de Música de l’Afganistan).