千歳は古来から太平洋側と日本海側をつなぐ交通の要路でした。
市内には千歳川を中心に大小の河川が40本以上流れ、その流域には旧石器時代から近世に至るまで約300か所の遺跡があります。特にウサクマイ遺跡群（縄文早期から近世まで）や、世界文化遺産の登録を目指しているキウス周堤墓群（縄文後期）は、国の史跡に指定されるなど、希少な遺跡として知られています。

明治21年（1888年）に、サケ産卵事業が開始されると、明治29年には北米より導入されたサケ捕獲装置、通称「インディアン水車」が設置され、今も秋の千歳川の風物詩となっています。
明治41年（1908年）には支笏湖と苫小牧、千歳を繋ぐ王子軽便鉄道、通称「山線」が開通し、発電のための木材運搬や支笏湖観光に活用されました。
昭和26年（1951年）に廃線となった後は、1970年代よりサイクリングロードとして親しまれています。
また、支笏湖湖畔に残る山線鉄橋は、元々は明治32年（1899年）に空知川に架けられていたものを移設したもので、北海道に現存する最古の鉄橋として日本の橋梁史においても稀少であり、2018年には日本土木学会選奨の土木遺産に認定されました。

その後、海軍航空隊の開隊などにより人口は増加、昭和17年（1942年）には千歳村から千歳町へ昇格しました。
終戦後には米軍が利用していた千歳飛行場に民間航空が再開、昭和29年に陸上自衛隊、昭和32年には航空自衛隊の駐屯地・基地が設置され、昭和33年（1958年）に千歳市となってからの発展を支えてきました。
現在千歳市は「北海道の空の玄関口 千歳」として発展を続け、支笏湖をはじめとする様々な観光資源にも注目が集まっています。

千歳には古くから大きな集落があり、たくさんの人々が生活していたことが市内の遺跡や出土品で分かります。
千歳市東部にあるキウス周堤墓群は、地面を円形に掘って周囲に積み上げ、内側を墓にした集団墓地で、縄文最大の集団墓地といわれています。なお2019年現在、キウス周堤墓群は「北海道・北東北を中心とした縄文遺跡群」としてユネスコの世界遺産登録を目指しています。
また、美々4遺跡の「動物形土製品」（縄文晩期）、ママチ遺跡の「土面」（縄文晩期の土製の仮面）、「北海道美々8遺跡出土品」（主に近世初頭のアイヌ文化の木製品）は国の重要文化財に指定されています。
これらの遺跡や出土品については、千歳市埋蔵文化財センター展示室で知ることができます。