La première mention écrite de Chisinau date du 14 octobre 1436, dans un acte des princes de Moldavie. Le lieu est alors un village de monastère doublé d'un marché rural, installé sur la rivière Bîc. Il reste modeste pendant près de quatre siècles, dans une principauté passée sous suzeraineté ottomane. L'église Măzărache, consacrée en 1752, est le plus ancien bâtiment conservé aujourd'hui.
Le traité de Bucarest de 1812 fait passer la Bessarabie à l'Empire russe. Chisinau reçoit le statut de ville en 1818 et devient le chef-lieu du gouvernement de Bessarabie. Sa population passe d'environ 7 000 à 18 000 habitants en quelques années. Un plan en damier est adopté en 1834 pour la ville haute. La cathédrale de la Nativité est consacrée en 1836 et l'arc de triomphe suit en 1840. L'architecte Alexandru Bernardazzi signe ensuite l'hôtel de ville, l'église Saint-Pantéleimon et plusieurs bâtiments publics.
La ville dépasse 125 000 habitants vers 1900, et les juifs en forment alors près de 43 %, une des proportions les plus fortes d'Europe. On y compte plus de 70 synagogues. En avril 1903, un pogrom fait au moins 47 morts et des centaines de blessés, et un second suit en 1905. L'affaire a un retentissement international et pousse des milliers de familles au départ.
En 1918, Chisinau devient la capitale de la République démocratique moldave, qui vote son union avec la Roumanie. La ville reste roumaine jusqu'en juin 1940, quand l'URSS annexe la Bessarabie. Les combats et les bombardements de 1941 et 1944 détruisent une grande partie du centre. À partir de 1941, les autorités roumaines enferment la population juive dans un ghetto, et les déportations et les massacres effacent une composante ancienne de la ville.
La reconstruction démarre en 1947 sur un plan auquel travaille Alexeï Chtchoussev, architecte né à Chisinau. Le centre est redessiné en larges avenues bordées d'immeubles néoclassiques, puis les quartiers de barres préfabriquées s'étendent vers Botanica, Rîșcani et Ciocana. La population augmente vite, portée par l'arrivée d'ouvriers venus de toute l'URSS.
L'indépendance de 1991 fait de Chisinau la capitale de la République de Moldova. Les rues sont rebaptisées, la métropole de Bessarabie est rétablie et le clocher de la cathédrale, démoli en 1962, est reconstruit en 1997. La ville continue d'attirer les habitants du reste du pays. Le recensement d'avril 2024 donne environ 720 000 habitants au municipe, soit près de 17 % de plus qu'en 2014, alors que toutes les autres régions perdent de la population.