2009年10月2日，里约热内卢赢得2016年夏季奥运会的举办权。2012年7月1日，在俄罗斯圣彼得堡举行的第36届世界遗产大会上，将里约热内卢的独特景观列入世界文化遗产，里约因此成为世界文化遗产中首个入选自然景观类别的城市。

1502年1月20日，葡萄牙探险家佩德罗·阿尔瓦雷斯·卡布拉尔发现了现今城市的所在地瓜纳巴拉湾，并称该处为Rio de Janeiro，即“一月之河”。当时他们认为海湾实际是河口。事实上，“河”是当时任何大面积水体的通称。随后法国也有船队到来，作为他们走私巴西木材的大本营。1555年，法国海军军官Nicolas Durand de Villegaignon带领了600多名战士和殖民者，在这里建立了第一个欧洲人殖民地，名为“France Antarctique”。殖民者主要由法国雨格诺派徒与瑞士加尔文教徒组成。

这个城市后来在1565年3月1日，由葡萄牙殖民者入侵之下成立。他们成功占领此城，并将法国人驱逐出境。以后城市经常被海盗及私掠船攻击，特别是法国。因此在16世纪起，葡萄牙人开始在此地建筑城堡，用作防御和抵抗侵略者。

此城市继续成为殖民地首都，直到1808年为止。当时葡萄牙贵族及皇室害怕法兰西帝国的皇帝拿破仑入侵葡萄牙，乃逃亡到里约热内卢。此地更成为葡萄牙首都，因此里约热内卢是唯一一个欧洲国家在欧洲以外地区设立首都的城市。那个时候，对于贵族突然迁徙，城市缺乏建设空间给予贵族居住。结果大量原居民被迫迁离，以留下空间予一众葡萄牙贵族。

1822年，巴西第一任皇帝佩德罗一世宣布巴西独立，他决定将里约热内卢成为国家的首都，不过城市逐渐失去重要性，他将经济和政治中心迁移到圣保罗。但当君主制于1889年被共和国所代替，里约热内卢仍是巴西的首都。也就在这时候，大量非洲人被运来里约热内卢作为奴隶。在1840年，市内奴隶数目达到220000人。早年里约热内卢人口都是集中于今日商业中心区一带。直到20世纪早期，城市开始急速发展，市中心的重心开始向南和西转移。

早于1930年代，巴西政府已着手讨论有迁移首都的问题。1955年新上任的总统库柏契克还大力推行建设新首都。尽管有很多意见认为这只是基于选举作作的举动，库柏契克仍最终于1960年4月21日，成功把首都搬入巴西利亚。里约热内卢乃降格为一个普通城市。