YouTube.com werd in februari 2005 opgericht door Chad Hurley, Steve Chen en Jawed Karim. Ze werkten alle drie bij PayPal en waren al vroeg actief in de computerindustrie. In februari 2004 deed de toekomstig medeoprichter van YouTube inspiratie op voor het YouTube-concept door de rol van Janet Jackson bij het Super Bowl-incident. Jawed kon maar moeilijk videoclips online vinden, wat hem op het idee bracht om een website speciaal voor het delen van video's op te zetten.[6] Op 14 februari 2005 21:13 GMT-8[7] werd de domeinnaamYouTube geregistreerd. In de maanden hierna werd de website stap voor stap opgezet.

De eerste video, met de titel Me at the zoo, waarin Karim een dierentuin bezoekt, werd op 23 april 2005 door Karim zelf geüpload. Deze video staat nog steeds online. In april 2005 was YouTube in de testfase voor een datingnetwerk.[8] In mei 2005 werd vertoond hoe de website eruit zou gaan zien. Een half jaar later was de website volledig actief. Sequoia Capital investeerde tussen november 2005 en april 2006 een durfkapitaal van 11 miljoen dollar in YouTube.[9] Het bedrijf werd bestuurd vanuit een garage in San Mateo, Californië.[10]

Op 15 december 2005 werd YouTube officieel gelanceerd. De site had inmiddels rond de 8 miljoen kijkers per dag.[11] YouTube groeide snel in populariteit en in 2006 stond de site al in de top 10 van meest bezochte websites wereldwijd. In juli 2006 werden er zo'n 65.000 filmpjes per dag op de site gezet en zouden er meer dan 100 miljoen filmpjes per dag bekeken worden.[12] Rond augustus 2006 telde YouTube meer dan 6 miljoen video's. Volgens een artikel in The Wall Street Journal waren het er 6,1 miljoen, met een totale opslagruimte van circa 45 terabyte.

Op 14 november 2006 werd YouTube door Google voor een bedrag van 1,65 miljard dollar overgenomen. Google had al een met YouTube concurrerende website, Google Videos.[13][14] De concurrenten Google Video en Yahoo Video bleven ver achter bij YouTube.

Op 8 en 10 maart 2007 werd de eerste schadeclaim ingediend, ter waarde van 1 miljard dollar. Ook vonden de eerste landelijke blokkades plaats, in Thailand[15] en Turkije[16].

Op 17 juni 2007 ging YouTube Mobile van start, maar niet alle video's konden afgespeeld worden. In deze periode was de smartphone nog niet de standaard.[17] YouTube introduceerde op 23 augustus 2007 een partnerprogramma waarmee het voor bedrijven mogelijk werd om geld te verdienen met reclame-inkomsten bij het tonen van video's. Deze extra functionaliteit maakte dat vloggen snel populair werd.[18] Vanaf 1 april 2008 haalde YouTube voortaan ieder jaar een 1 april-grap uit. Er is geschat dat YouTube in het jaar 2007 net zoveel bandbreedte verbruikte als het hele internet in het jaar 2000.[19] Vanaf 20 november 2008 konden video's in hd-kwaliteit aangeboden worden.[20]

Vanaf 21 juli 2009 konden 3D-video's geüpload worden op de site. YouTube meldde in 2009 dat de site per dag 1 miljard kijkers had.[21] Video's konden vanaf november 2009 in full-HD-kwaliteit aangeboden worden. In 2010 werden er meer dan 2 miljard video's per dag bekeken.[22]

In 2010 begon YouTube ook met het live streamen van content. De site kocht in januari 2010 de rechten op om twee jaar lang overal ter wereld de Indian Premier League uit te zenden.[23][24]

Vanaf 9 juli 2010 konden video's worden aangeboden in 4K (4096×3072 pixels)-kwaliteit.[25] YouTube had in 2011 3 miljard kijkers per dag en ontving 48 uur videomateriaal per minuut aan nieuwe video's.[26] Vanaf 4 november 2011 werd Google+ geïntegreerd in YouTube.[27] Op 2 december 2011 werd de vormgeving van YouTube volledig aangepast. YouTube had inmiddels 4 miljard kijkers per dag.[28]

Eind 2012 was er een nieuwe vormgevingsupdate. Deze werd geleidelijk ingevoerd en was eerst beschikbaar voor de aangemelde gebruikers van de site. Later volgde ook de rest. Vanaf 2013 had YouTube een aparte versie voor elk land, en niet meer voor elke taal. YouTube ontving in dat jaar 100 uur aan videomateriaal per minuut.[29] Vanaf 26 juni 2014 werden video's met 60 beelden per seconde ondersteund, vooral voor game-video's.[30] Op 12 november 2014 ging YouTube Red van start. Op 1 december 2014 werd de YouTube-hit Gangnam Style zo vaak bekeken dat YouTube zijn integer van 32 bits (maximaal 2.147.483.647 kijkers) moest verhogen naar 64 bits (maximaal 9.223.372.036.854.775.807 kijkers).[31] Op 20 februari 2015 introduceerde YouTube een kindvriendelijke app: YouTube Kids.[32] Vanaf 10 juni 2015 bood YouTube ondersteuning voor 8K-video's (7680×4320 pixels).[33] Op 8 januari 2016 kondigde YouTube aan HDR te gaan ondersteunen.[34]