Древнее городище находилось на месте нынешнего Тарту уже в I тысячелетии н.э. В связи с военным походом русского князя Ярослава Мудрого, покорившего Тарту в 1030 году, Тарту впервые был упомянут в письменных источниках (русская летопись «Повесть временных лет»), поэтому эта дата считается годом основания города. В 1061 году древний Тарту был отвоеван эстами.

В XIII веке, в связи с начавшимися крестовыми войнами против немецких рыцарей Ливонского ордена, Тарту несколько раз переходит из рук в руки, пока окончательно не завоевывается немцами в 1224 году. Город и его окрестности объявляются ленными владениями епископа Германа, Тарту становится центром средневекового вассального государства и столицей одноименного епископата.

В 1280 г. Тарту становится членом Союза ганзейских городов и превращается в процветающий купеческий город на торговом пути между Псковом и Новгородом. Важное торговое значение Тарту уменьшается лишь после подчинения Пскова и Новгорода Москве. 

В 1558 году, в начале Ливонской войны, город завоевывает русская армия, удерживая его до 1582 года, когда в соответствии с Ям-Запольским мирным договором Южная Эстония отходит Польше. 

Во времена польского владычества, в 1583 году, в Тарту открывается гимназия иезуитов. В начале XVII века город неоднократно переходит из рук в руки во время шведско-польских войн, и наконец в 1625 г. остается окончательно под властью шведов. 

В 1630 году в Тарту открывается первая академическая гимназия, а в 1632 году – университет, получивший название Академия Густавиана в честь своего основателя - шведского короля Густава II Адольфа. В связи с продолжающимися военными действиями университет работает нерегулярно, а в 1699 году эвакуируется до 1710 года в Пярну. 

В 1704 году, в ходе Северной войны, город вновь завоевывается русскими военными силами. В соответствии с Ништадтским мирным договором 1721 года, Тарту, как и вся Эстония и Лифляндия, становится частью Российской империи. После посещения Тарту в 1764 году императрицей Екатериной II начинается застройка города в стиле неоклассицизма.

В 1763-1767 гг. город застраивается в виде крепости. Тарту получает важное значение узлового пункта на почтовом тракте Петербург-Кенигсберг. В 1770-1780 г.г. в Тарту строятся здание городской ратуши и импозантный Каменный мост.  

В 1802 году в статусе императорского университета с немецким языком обучения восстанавливается Тартуский университет. Тарту становится важным российским научным центром, где возводятся оборудованная на мировом уровне обсерватория, медицинские клиники, открываются научная библиотека и ботанический сад. Наряду с наукой расцветает и студенческая жизнь, благодаря чему Тарту получает образный титул «Афины на реке Эмайыги».  

С середины XIX века среди студентов Тартуского университета становится все больше эстонцев и латышей, а Тарту превращается в  центр духовной и светской жизни Эстонии:

В 1864 г. начинает издаваться газета «Ээсти Постимеэс».
В 1865 г. учреждается общество «Ванемуйне».
В 1869 г.  в Тарту проходит первый всеэстонский певческий праздник.
В 1870 г. учреждаются Общество эстонских студентов и Общество эстонских земледельцев
В 1872 г. – Общество эстонских литераторов
В 1906 г. строится в стиле модерн здание театра «Ванемуйне». Начинают деятельность первая эстонская средняя школа - женская гимназия, а также тартуская телефонная фабрика и первое эстонское кредитно-сберегательное товарищество.
В 1909 г. создается Музей эстонского народа. В Тарту строятся важные эстонские промышленные предприятия.

В 1876 г. заканчивается строительство участка железной дороги Тапа-Тарту, обеспечивающего сообщение с Таллином и Петербургом, а в 1887 г. – линии Валга-Тарту, обеспечивающей сообщение с Ригой.

С конца 1880-х Тарту подвергается жесткой русификации. В 1889 г. образование в тартуских школах заменяется на русскоязычное, а в 1893 году город, носивший до сих пор официальное название Дерпт, переименовывается в Юрьев. В это же время Тарту становится городом уже нескольких университетов: к основанному в 1848 г. ветеринарному институту добавляются в начале XX века также частные университеты Ростовцева и Ясинского, просуществовавшие до 1918 г.

В 1918 году Тарту оккупируется немецкими войсками. Университетские коллекции эвакуируются в Воронеж, а Тартуский университет на период с сентября до ноября 1918 г. становится так называемым немецким «ландесуниверситетом». После короткого управления большевиками в конце 1918 - начале 1919 г.г. Тарту освобождается эстонской армией, а 1 декабря 1919 года Тартуский университет получает статус эстонского национального университета. Тарту становится эстонским научным и академическим центром.

2 февраля 1920 г. в Тарту подписывается мирный договор между советской Россией и Эстонской республикой, а 14 октября - между Россией и Финляндией. Тарту по-прежнему остается центром академической жизни Эстонии, а также местом издания крупнейшей эстонской ежедневной газеты «Постимеэс».

В 1940 г. Советский Союз оккупирует Эстонию. С 9 июля 1941 г. в течение трех недель прямо по территории Тарту проходит линия фронта. 

В советское время с 1944 по 1991 г.г. Тарту – второй по величине и значению город Эстонии. Здесь работает Тартуский университет с эстонским языком обучения и созданная на его базе в 1951 г. Эстонская Сельскохозяйственная Академия. Строятся также преимущественно ориентированные на восточный рынок промышленные предприяти - приборостроительный завод и завод сельхозмашин «Выйт».

Поскольку в непосредственной близи от города был сооружен аэродром для советских стратегических бомбардировщиков, Тарту являлся вплоть до 1990 года закрытым городом, что существенно тормозило его развитие.

После восстановления независимости Эстонии в 1991 г. наш город вновь открыт для иностранных туристов. В Тартуском университете и Эстонском сельскохозяйственном университете учится все больше иностранных студентов из Европы, в первую очередь из Финляндии.