La forteresse Tcheliaba, d'où dérive le nom de la ville, fut construite en 1736 sur le site d'un village nommé Tcheliabi (en langue bachkire : Силәбе / Siläbe – signifiant une dépression ou un puits peu profond). La ville fut fondée en 1781. Vers 1900, Tcheliabinsk était essentiellement une base pour la construction du Transsibérien.
Pendant la période d’industrialisation soviétique des années 1930, Tcheliabinsk connut une croissance très rapide, en raison de la construction de plusieurs grands établissements industriels, notamment l’usine de tracteurs de Tcheliabinsk et l’usine métallurgique de Tcheliabinsk.
Durant la Seconde Guerre mondiale, plusieurs usines de la partie occidentale de l’Union soviétique furent évacuées devant l'avance allemande, et en partie transférées à Tcheliabinsk avec leur personnel. Ce fut le cas des usines Kirov et Ijorski de Léningrad et de l’usine de moteurs diesel de Kharkiv, qui constituèrent, avec l'usine de tracteurs de Tcheliabinsk, un énorme complexe de production de chars de combat, surnommé Tankograd, qui employait 60 000 travailleurs en 1944.
En 1957, un grave accident nucléaire s’est produit à 70 km au nord de Tcheliabinsk, au complexe nucléaire Maïak.
Superbolide de Tcheliabinsk
Le , un astéroïde d’une masse estimée à dix mille tonnes a explosé au-dessus de l’oblast de Tcheliabinsk à 9 h 20, à environ 23 km d’altitude8,9. Sa puissante onde de choc et les bangs supersoniques de ses fragments, dus à leur vitesse d’entrée dans l’atmosphère de 18,6 km/s10, ont provoqué des dégâts matériels dans plusieurs villes de la région, principalement à Tcheliabinsk : de nombreuses fenêtres ont été brisées et le toit d’une usine de zinc s’est effondré11. 1 613 personnes ont été blessées, principalement par des éclats de verre12. Certains blessés (40 à 112 selon les sources) ont dû être hospitalisés13,14. Il s’agit de la plus grosse chute de météorite enregistrée depuis l’événement de la Toungouska10 et de la seule connue à avoir causé autant de blessés15.