Во второй половине XVII в. в окрестностях деревни Кучино были начаты разработки глины, а в начале XIX в. братья Даниловы организовали здесь производство красного кирпича. В конце 60-х гг. XIX в. московский купец Д. И. Милованов приобрёл в Кучино кустарное кирпичное производство и построил кирпичный завод, который в 1875 г. дал первую продукцию; вскоре появились кирпичные заводы купцов Куприянова и Голядкина. На средства миллионера Д. П. Рябушинского в посёлке Кучино был в 1904 г. создан первый в Европе и второй в мире Аэродинамический институт, где научную работу возглавлял профессор Московского университета Н. Е. Жуковский — основоположник современной аэродинамики. Аэродинамический институт положил начало развитию посёлка Кучино как центра геофизической науки и сделал его известным в научном мире не только в России, но и за рубежом.
В 1862 г. была открыта Московско-Нижегородская железная дорога и возникла железнодорожная станция Обираловка, а в 1877 г. появился и пристанционный посёлок Обираловка. 17 января 1939 года посёлок получил официальный статус рабочего посёлка городского типа, а 27 августа того же года Указом Президиума Верховного Совета РСФСР переименован в посёлок Железнодорожный Реутовского района Московской области. В 1946 г. открыт НИИ строительной керамики с опытным заводом (производство керамических блоков); в 1952 г. — деревообрабатывающий завод.
В 1896 г. по инициативе фабриканта Викулы Морозова (внука С. В. Морозова) рядом с деревней Саввино была построена фабрика — «Саввинская мануфактура», вокруг которой образовался посёлок Саввино. В 1947 г. в этом посёлке рядом с фабрикой была открыта мастерская по реставрации деталей фабричных машин (преобразованная в 1956 г. в электромеханический завод).
7 августа 1952 года рабочий посёлок Железнодорожный преобразован в город районного подчинения, а 10 декабря 1960 года — в город областного подчинения. В 1960 году к городу были присоединены рабочие посёлки Кучино (частично; полностью с 1963 г.) и Саввино, а также деревни Темниково и Сергеевка.
В конце 1980 — начале 1990-х гг. в городе построено новое здание железнодорожного вокзала, современными многоэтажными домами застроены привокзальная площадь, южная часть Железнодорожного, в том числе микрорайоны в Кучино, на территории бывшего посёлка Саввино и др. Сохранилась Преображенская церковь (вторая половина XIX в.).
9 января 2015 года городской округ стоматология Железнодорожный упразднён как муниципальное образование и включён в состав городского округа Балашиха. 22 января 2015 года упразднён город областного подчинения Железнодорожный как административно-территориальная единица и включён в состав города областного подчинения Балашиха.