Metallica-t 1981-ben alapította a dobos Lars Ulrich és az énekes-gitáros James Hetfield Los Angelesben, miután újsághirdetések útján találkoztak. Ron McGovneyt, Hetfield lakótársát rábeszélték a basszusgitáros szerepre, később Ron Quintana javaslatára felvették a Metallica nevet. Eleinte sorra váltogatták a gitárosokat, az 1982 elején rögzített „Hit the Lights”-on például Lloyd Grant volt a gitáros, de belőle nem vált igazi tag. Mivel szükség volt egy állandó gitárosra, újsághirdetést adtak fel, amire Dave Mustaine, a Panic zenekar gitárosa jelentkezett. Néhány hónappal később kiadtak egy teljesértékű demót, No Life Till Leather címmel, amire felfigyelt a szakma. Ekkor csatlakozott hozzájuk a basszusgitáros Cliff Burton, aki nem akart Los Angeles-be költözni, így a banda áttette székhelyét San Franciscóba.

1983-ban New York-ba utaztak Jon Zazula hívására, ahol a Megaforce-szal, Zazula lemezkiadójával írtak alá szerződést. Érkezésük után pár héttel kirúgták Mustaine-t alkoholizmusa miatt, Kirk Hammett, az Exodus gitárosa lépett a helyére. Mustaine sem hagyta abba a zenélést, megalapította a Megadeth-t.

1983 végén jelent meg első albumuk, a Kill 'Em All, amely mintául szolgált későbbi lemezeikhez is, építve Hetfield erőteljes énekére és Hammett dallamos gitárszólóira. Az albumot amerikai és európai koncertkörút követte. Egy évvel később már Flemming Rassmussen producerrel közös munkájuk gyümölcse volt a Ride the Lightning, ami bebizonyította, hogy a Metallica nem csak egynyári zenekar. Ezen az albumon hosszabb számok kaptak helyet, sokkal kifinomultabb volt zeneileg, mint a Kill 'Em All. Egyik kiemelkedő számuk a „Fade to Black,” egy lassú, bensőséges dal, amiben az öngyilkosságról elmélkednek. A dal előzménye, hogy a zenekar előtt sorra megoldhatatlannak tűnő akadályok tornyosultak, például ellopták a Kill 'Em All felvételéhez használt felszerelésüket is. A „Fade to Black” hagyományt indított el, ilyen stílusú daluk lett később a „Welcome Home (Sanitarium)” és a „One”, amihez első videóklipjüket forgatták. Ezek a lassú, befelé forduló dalok különböztették meg a Metallica-t a többi thrash metal zenekartól (Anthrax, Slayer, Megadeth).

Miután 1984-ben leszerződtek az Elektra Records-szal, elkezdték következő albumukat felvenni. A Master of Puppets 1986-ban jelent meg, sok rajongójuk szerint ez a legjobb munkájuk. Még ebben az évben összehoztak egy európai turnét Ozzy Osbourne-nal. Szeptember 27-e fekete betűkkel íródott be az együttes krónikájába: Svédországban a csapat busza megcsúszott, felborult és Cliff Burton életét vesztette. Az ő befolyása meghatározó volt a csapat zenei fejlõdésében, lehetetlen volt elképzelni a Metallica-t nélküle. A többiek végül Burton emlékére nem adták fel és 40 jelentkező közül Jason Newsted lett az új basszusgitáros. Rövidesen turnéra indultak, majd kiadtak egy EP-t Garage Days Re-Revisited címmel, ami nagyrészt Ulrich garázsában készült. 1988-ban felvették az ...And Justice for All-t, az együttes egyik legösszetettebb szerkezetű lemezét. Az albumról több olyan dal is akadt, amit nem játszottak koncerteken bonyolultságuk miatt. Az amerikai listákon 6. lett az album és egy Grammy jelölést is kaptak a legjobb Metal/Hard rock kategóriában. Ekkor készítették első videóklipjüket „One” című számukhoz. Kritikusok szerint az ...And Justice for All mérföldkő a metal történetében. Sok szakíró (és a Metallica) szerint elválasztotta a hard rockot a bluestól, amit a Mötley Crüe vagy a Poison nem tett meg.

1991-ben a Metallica című lemezük (közismertebb nevén a „Fekete Album”, mert a borítója fekete és nincs rajta semmilyen szöveg, csupán halványan a zenekar logója és egy szintén halvány kígyó) tovább bővítette zenei horizontjukat. Az új producer, Bob Rock hatására a dalok rövidebbek lettek, így eladhatóbbakká váltak, hiszen a rádiók is szívesebben játszanak rövidebb számokat. Megjelenése után hetekig vezette a világ zenei listáit, 15 millió példányt adtak el belőle. Elnyerték érte a Grammy és az MTV/American Music Awards díjakat. Az album nagy siker volt, a Metallica végleg mainstream zenekarnak mondhatta magát. Ekkor kezdték a régi, magukat becsapottnak érző rajongók megvádolni őket azzal, hogy eladták magukat. Közel három évig turnéztak az „Egy este a Metallica”-val című koncertsorozattal, azután a Guns N' Roses-zal közösen. 1993 őszén úgy döntöttek, egy időre visszavonulnak pihenni.

1995-ben tértek vissza a zenéléshez. A Load (1996) szakítást jelentett a Fekete albummal, tömör hangzású, erőteljes. 14 szám kapott rajta helyet, így ez a leghosszabb albumuk. A Reload-on (1997) a nyaktörő metal futamokat blues-os hangvétel váltotta. Hetfield hangjának minden eddiginél nagyobb szerep jutott, és több dal („Mama Said”, „Low Man's Lyric”) mutatja a csapat vágyát a stílusváltásra. A Metallica kritikus és intelligens dalszövegei nem tűntek el, csak egy teljesen új és változatosabb stílusú csomagolást kaptak. A Load és a Reload fordulópont volt a zenekar megjelenésében is. Levágatták a hajukat, az albumok borítóira Anton Corbijn készített vitatott fényképeket: megbotránkoztató ruhákat viseltek, dohányoztak, konyakoztak, néha erőteljesen kisminkelve. Ezzel is próbálták a régi rajongókat visszacsábítani. A változásokkal a Load és a ReLoad több rádiós slágert tartalmazott, mint például a „Fuel”, „Until it Sleeps”, „The Memory Remains.” A csapat thrash metal rajongótáborát ezzel sikerült végképp elriasztani. A Metallica szerintük már nem metalt játszott és eladták magukat. A régi rajongók helyébe újak léptek, egyesek szerint a Load a legjobb albumuk.

1998-ban kiadták a új albumukat Garage Inc. címmel, ami egy két 2 CD-s feldolgozáslemez. Többek között a Mercyful Fate-től, vagy a Queen-től játszanak számokat. A második lemezen a teljes Garage Days Re-Revisited rajta van, ami ekkor már ritka, csak gyűjtőknél megtalálható lemez volt, és több B-oldalas dal, egészen 1984-től kezdve.

1999. április 21-22-én vették fel a San Francisco-i szimfonikusokkal közös 2 éjszakás előadásukat a Berkley Színházban Michael Kamen karmester közreműködésével. Két új dal is íródott az eseményre, a „No Leaf Clover” és a „Human”. A felvételt S&M címen adták ki 1999 novemberében CD-n, videokazettán, és DVD-n.

2000-ben mutatták be a Mission Impossible 2 című filmet, amihez a csapat írt egy betétdalt, az I disappeart. A számhoz videoklip is társult, ami a Metallica történetében a legdrágább költségvetésű videoklip volt.

2001-ben kilépett a bandából Jason Newsted, ekkor kezdtek pletykák terjengeni a csapat feloszlásáról. Nem kezdtek el új basszusgitárost keresni, hanem Bob Rockot kérték fel a kisegítésre, aki elvállalta a feladatot. Ez az időszak az egyik legkritikusabb periódus az együttes történetében. Júliusban Hetfield rehabilitációs kezeléseken vett részt „alkohol és más függőségek” miatt. Ulrich és Hammett ekkor komolyan elgondolkoztak a befejezésről. Végül Hetfield visszatért és elkezdték felvenni a St. Anger-t. 2003 júniusában végül kiadták nyolcadik, legutóbbi lemezüket. Az album a slágerlisták első helyén mutatkozott be, az együttes egyik legagresszívabb lemezének tartják. Az album az előzőektől eltérően nem volt tökéletesre csiszolva, nyers hangzásúra sikeredett. Sokan kritizálták ezért és az érzelmileg túlfeszített dalokért, a gitárszólók hiányáért. Ennek ellenére a lemez Grammy-díjat kapott, ez a csapat hetedik ilyen elismerése. 2002 őszétől új taggal bővültek, Robert Trujillo lett a basszusgitáros.