Основан в 1761 году крупным заводовладельцем Иваном меньшим Мосоловым как посёлок при чугуноплавильном и железоделательном заводе на реке Уфалей.
В 1774 году заводские рабочие приняли участие в восстании Емельяна Пугачёва, в ходе боёв Уфалейские заводы были захвачены и сожжены. Завод начал давать продукцию в 1776 году, но Суховязский завод был восстановлен лишь к 1791 году.
С января 1781 года по ноябрь 1923 года входил в состав Екатеринбургского уезда Пермской, а позднее Екатеринбургской губерний, затем был передан в состав Сверловского округа Уральской области.
25 августа 1841 года в связи с неумелым хозяйствованием правительство взяло заводы Сергинско-Уфалейского горного округа, в том числе Уфалейские, под казённый присмотр.
Перед реформой 1861 года Сергинско-Уфалейский горный округ занимал третье место среди уральских горнозаводских предприятий по величине основного и оборотного капитала, техническому оснащению производства и объёму выпускаемой продукции.
Однако возможности в развитии хозяйства Сергинско-Уфалейских горных заводов не обеспечивались финансовыми средствами их владельцев. На промышленное развитие округа с конца 1850-х и до начала 1880-х годов отрицательно влиял редкий по своему размаху и уродливому проявлению раздор между владельцами.
С 1861 по 1865 годы хозяйство находилось в казённом присмотре, с 1867-го — в дворянской опеке, в 1879-м — снова в казенном присмотре. Все эти переходы хозяйства в разные виды управления имели один результат — растущую задолженность округа. Ближайшие родственники малолетних наследников К. М. Губина буквально ограбили округ, изъяв оборотный капитал. Их деятельность по управлению и опеке над хозяйством сопровождалась подлогами, незаконными залогами продукции, хищением средств, носила уголовно-авантюрный характер.
В 1881 году Уфалейские заводы (Уфалейский, Суховязский и Нижнеуфалейский) перешли во владение Товарищества Сергинско-Уфалейских горных заводов. Это был один из первых случаев акционирования на Урале. Изучив ещё в 60-е годы XIX века состояние дел в округе, торговый дом «Мейер и Ко» совместно с фирмой Гинцбургов в начале 1880-х годов решили купить это перспективное, но полуразвалившееся хозяйство. Для покупки и эксплуатации округа было организовано Товарищество Сергинско-Уфалейских горных заводов, устав которого был утверждён 6 ноября 1881 года.
В феврале 1907 года большевиками была создана Уфалейско-Кыштымская организация РСДРП, ставшая третьей по численности на Урале, куда вошли свыше 500 рабочих Верхнего и Нижнего Уфалея, Верхнего и Нижнего Кыштыма, Нязепетровска и ряда других сёл.
С марта по октябрь 1917 года в посёлке были созданы совет рабочих депутатов, профсоюзы и отряд Красной гвардии. В июле 1918 года Верхний Уфалей был захвачен чехами. 15 июля 1919 года посёлок был освобождён красноармейцами 39-го стрелкового полка Пятой стрелковой дивизии 2-й армии Восточного фронта красных под командованием С.В. Домолазова.
С ноября 1923 года Верхний Уфалей являлся посёлком городского типа Уфалейского района Свердловского округа Уральской области.
27 августа 1928 года получил статус рабочего посёлка, 26 апреля 1940 года — города районного значения. С 1934 года в составе Челябинской области, при этом к Уфалейскому району присоединён упразднённый Каслинский район бывшей Уральской области.
В августе 1933 года дал первую продукцию первенец никелевой промышленности СССР Уфалейский никелевый завод.
9 февраля 1944 года Верхний Уфалей получил статус города областного подчинения, Уфалейский район Челябинской области преобразован в Каслинский район.
В годы Великой Отечественной войны из Уфалейского района и районного центра было призвано 16 147 человек, из них погибло 7172. В Верхнем Уфалее были сформированы и отправлены на фронт: 47-я отдельная стрелковая курсантская бригада, 37-я (в дальнейшем Слуцко-Померанская Краснознаменная орденов Суворова 2-й степени и Кутузова 2-й степени), 54-я (в дальнейшем 11-я гвардейская), 55-я (в дальнейшем 12-я гвардейская) механизированные бригады, 119-я (в дальнейшем в связи с потерями переформирована в 7-й гвардейский танковый полк прорыва), 166-я танковые бригады, 162-я стрелковая дивизия (2-го формирования), 1106-й, 1107-й (в дальнейшем 87-й гв. САП), 1108-й (в дальнейшем 261-й гвардейский) пушечно-артиллерийские полки, 611-й лыжный батальон. В городе был развёрнут тыловой эвакогоспиталь № 3115 в который в 1941-1944 гг. было эвакуировано 6624 тяжелораненых требующих длительного лечения, из них около 80 % по излечению возвращены в действующую армию. 17 февраля 1944 г. госпиталь переведён в Полтавскую область УССР в город Миргород. В В. Уфалей также было эвакуировано около 5000 мирного населения, а таке предприятия: завод № 378 НКЭП (Гурьев), Елецкий завод галетных элементов № 351 НКЭП, Киевский завод «Экономайзер» (на его базе сформирован Уфалейский литейно-механический завод), заводы «Электропечь», «Электроуголь» (Ленинград), «Электросигнал» треста № 14 НКПС, Саратовский завод щелочных аккумуляторов (на его базе сформирован завод «Уралэлемент»).