Sarajevo porte la trace de quatre siècles ottomans, de quatre décennies austro-hongroises et de deux guerres mondiales. Le siège des années 1990 reste l'événement le plus présent dans la ville et dans les mémoires.
Isa-beg Ishaković, premier gouverneur ottoman de Bosnie, fonde la ville en 1461 sur le site du village de Brodac. Il y fait bâtir une mosquée, un marché, un hammam et un pont. Le nom de Sarajevo vient du palais du gouverneur, le saray. Au XVIe siècle, Gazi Husrev-beg dote la ville de sa mosquée principale, de sa medersa et de son marché couvert. Vers 1660, Sarajevo dépasse 80 000 habitants et compte parmi les plus grandes villes de l'Empire.
En 1697, le prince Eugène de Savoie incendie Sarajevo au cours d'un raid. La ville est reconstruite en partie, mais le siège du pouvoir provincial passe à Travnik. Sarajevo ne retrouve son rang qu'au XIXe siècle.
Le congrès de Berlin place la Bosnie-Herzégovine sous administration austro-hongroise en 1878. La ville s'industrialise et se couvre d'immeubles de style viennois. Le Musée national ouvre en 1888 et la cathédrale catholique est consacrée en 1889. Le 28 juin 1914, Gavrilo Princip tue l'archiduc François-Ferdinand et son épouse sur les quais de la Miljacka. L'attentat déclenche la Première Guerre mondiale.
Sarajevo entre en 1918 dans le royaume des Serbes, Croates et Slovènes, puis dans la Yougoslavie socialiste en 1945. La ville s'étend vers l'ouest avec les quartiers de Novo Sarajevo et de Novi Grad. Elle accueille les Jeux olympiques d'hiver en février 1984, sur les monts Bjelašnica, Igman et Jahorina.
Le siège commence le 5 avril 1992 et s'achève le 29 février 1996, soit 1 425 jours. C'est le plus long siège d'une capitale de l'histoire militaire moderne. Près de 14 000 personnes y perdent la vie, dont plus de 5 000 civils. Un tunnel creusé sous la piste de l'aéroport relie Dobrinja à Butmir et constitue le seul accès terrestre à la ville. Le marché de Markale est frappé deux fois, en février 1994 et en août 1995. Les accords de Dayton, signés en décembre 1995, mettent fin à la guerre.
La ville a rebâti ses ponts, ses écoles et son hôtel de ville, la Vijećnica, rouverte en 2014. Les impacts de balles restent visibles sur certaines façades. Sarajevo est aujourd'hui la capitale de la Bosnie-Herzégovine et le siège du canton de Sarajevo.