Уперше назва поселення Здолбунів (Долбунів) згадується 1497 року в акті, за яким великий князь Литовський Олександр дарував князеві Костянтину Острозькому разом з іншими поселеннями і село Долбунів. Назва Здолбунів відома з 1629 року.
Із утворенням Київської держави землі дулібів у Х столітті входять до її складу. Пізніше, під час занепаду держави, землі Волині (з 1199 року) входять до Галицько-Волинського князівства, яке від нападів татаро-монгольських орд поступово втрачає свою силу і підпадає під владу Литви.
У роки Першої світової війни на території Волинської губернії проходив Південно-Західний фронт.
За часів Української революції (1917—1921) місто було ареною боротьби різних політичних сил: австро-німецької військової адміністрації, Центральної Ради УНР, Гетьманщини, Директорії УНР, Ради робітничих та солдатських депутатів. У місті розташовувався штаб Дієвої армії УНР, на чолі з Симоном Петлюрою.
12 листопада 1917 року урочисто відкрита чеська школа (сучасна Здолбунівська гімназія).
У 1919 році місто стало центром спроби антипетлюрівського перевороту генерала-хорунжого Володимира Оскілка.
У вересні 1939 року західноукраїнські землі увійшли до складу СРСР. У межах радянського адміністративно-територіального поділу Здолбунів стає районним центром Рівненської області. У місті починаються «соціалістичні перетворення», масові арешти української інтелігенції.
У 1941 році місто окуповане військами Третього Рейху. Під час німецької окупації в місті продовжує діяти українське націоналістичне підпілля.
2 лютого 1944 року місто переходить під контроль Радянської армії. За час війни нацисти зруйнували цементний завод, міську електростанцію, спалили залізничний вокзал, а також значну кількість житлових будинків та інших будівель. За роки німецької окупації гітлерівці розстріляли 6 тисяч мешканців міста та інших громадян. Місцем розправи були обрані кар’єри цементного заводу. Тут гітлерівці стратили 4300 осіб, серед яких все єврейське населення міста (врятувалося близько 25 осіб), а в селі Старомильську біля цвинтаря — 1700 осіб.
У післявоєнний період Здолбунів відбудовувався і розвивався на засадах соціалістичної економіки, комплексно, відповідно до свого статусу районного центру Рівненської області. Будуються цементно-шиферний комбінат, мікрорайон цементників Ново-Здолбунів, будівельні, пластмасовий та авторемонтний заводи, «Укрцемремонт», побутові підприємства; відкриваються нові школи, лікарні, культурно-освітні заклади.
У 2011 році було відкрито Здолбунівський районний історико-краєзнавчий музей, який знаходиться в старій частині міста. Більшість експонатів музею були знайдені або подаровані жителями Здолбунівщини. Сама будівля є історичною пам’яткою міста, у ній відбувалися різні події, а одні з найстрашніших за часів НКВС.
21 жовтня 2012 року в Здолбунові урочисто відкрито перше на Рівненщині погруддя Степанові Бандері.
У місті діє в основному будівельна, металообробна та харчова промисловість.
