La formation du groupe s'étend de 1980 à 1983. Le Danois Lars Ulrich a 16 ans, il joue de la batterie en écoutant en boucle ses idoles du metal anglais, dont Diamond Head. Sa passion le conduit d'ailleurs de Los Angeles en Angleterre, durant l'été 1981, où il rencontre les membres de son groupe fétiche. Il squattera même deux mois chez Sean Harris, le leader du groupe. James Hetfield, 17 ans, n'est pas moins passionné. Il se forme au sein des groupes Obsession et Phantom Lord, dont il est le chanteur et guitariste, avant de former Leather Charm. Les deux futurs fondateurs de Metallica se rencontrent pour la première en 1980, quand Ulrich tente d'intégrer Leather Charm. L'essai se solde par un échec cuisant pour Ulrich dont la bonne volonté ne compense pas les insuffisances techniques. A l'été 1981, Lars Ulrich re-contacte James Hetfield, car une opportunité se présente : Brian Slagel, un ami d'Ulrich, vient de lancer un label, Metal Blade Records, dont la première sortie sera une compilation des groupes de metal de Los Angeles. Ulrich y obtient une place et Hetfield le rejoint ainsi que son ami Ron McGovney. Le guitariste jamaïcain Lloyd Grant accompagnera James, il ne reste plus qu'à trouver un nom au groupe. Ron Quintana, ami d'Ulrich, hésitait quant au titre à donner à son futur fanzine : « Metal Mania » ou « Metallica » ? Pour Ulrich, c'est tout vu : il s'approprie « Metallica » en persuadant Ron de conserver le premier.
Metallica peut alors enregistrer son premier titre, issu du répertoire de Leather Charm, ancien groupe de Hetfield : « Hit The Lights ». Le caractère violent du rock de Metallica oblige à un petit ajustement : Grant, guitariste de blues, est remplacé par Dave Mustaine (le même qui fondera Megadeth en 1985). Le groupe commence à se produire à Los Angeles, mais le succès n'est pas au rendez-vous : la puissance et la rapidité sont mal acceptées par un public qui traite le groupe de punk. Le groupe ne se décourage pas et enregistre une démo afin d'obtenir davantage de concerts : No Life'til leather où l'on retrouve « Hit The Lights », mais aussi « Seek And Destroy » ou « Metal Militia ». Tout bascule en 1982 quand le groupe s'installe à San Francisco, dans une maison commune (« El Cerrito ») où ils se saoulent au moins autant qu'ils répètent. Ils partagent la scène avec d'autres groupes de la compilation. Les musiciens découvrent qu'ils ont déjà un solide noyau de fans : les Bay Area Bangers qui dynamitent l'ambiance des concerts ! Les débuts de la reconnaissance sont aussi ceux des premiers problèmes : Dave Mustaine est viré assez rapidement lors d'un concert à New York, pour cause d'alcoolisme, et remplacé par Kirk Hammett (issu d'Exodus). Entretemps, le groupe intègre le bassiste Cliff Burton (Trauma) en remplacement de McGovney : Metallica est enfin solidement formé.
En mai 1983, le groupe enregistre en studio son premier album : Kill'em All. Le son un peu sale et la voix criarde de Hetfield renforcent le sentiment d'agressivité de cette première production très rapide, influencée par Venom et Motörhead. Cet album est comme un programme, une anticipation du projet musical de Metallica qui s'y met en scène comme héraut du metal. Ride the Lightning en juillet 84 contient des compositions plus sombres, plus denses et parfois brutales (« Trapped Under Ice ») avec une structure thématique cohérente qui ne sera surpassée qu'en 1986, avec Master of Puppets, dont on peut dire qu'il est l'aboutissement artistique du groupe. Ce troisième album est leur premier chez une major pour le marché US, Elektra, qui en profite pour rééditer les deux premiers. Le 27 septembre 1986 au matin un drame frappe le groupe, alors en tournée en Suède : son autocar de tournée qui les emmène de Stockholm à Copenhague glisse sur une plaque de verglas. Metallica perd son bassiste, Cliff Burton. Indemnes, les autres membres du groupe assommés par cette perte tragique, décident d'abandonner la tournée. Pourtant, le groupe doit et va continuer à vivre ; il se met en quête d'un nouveau bassiste. Jason Newsted le bassiste confirmé de Flotsam & Jetsam qui a réussi en quelques jours, à apprendre toutes les chansons du groupe, intègre Metallica.
Il s'agit maintenant de retourner en studio, il faut à la fois enregistrer un nouvel album, et convaincre les fans que Newsted a sa place. Le mini-album Garage Days Revisited (1987) permet aux fans de se familiariser avec la nouvelle recrue. Cette compilation, constituée de reprises de Killing Joke, Diamond Head, Budgie, Holocaust et des Misfits, a un double objectif : rendre hommage aux influences du groupe, ainsi que « baptiser » le nouveau bassiste du groupe. La période de deuil arrive définitivement à son terme : la même année sort la vidéo Cliff'em All, dernier hommage au compagnon disparu.
En octobre 88 sort ... And Justice for All, aux accents plus heavy. L'album se hisse 4ème dans le hit du Billboard sans avoir trop bénéficié de diffusion à la radio, ni du soutien de MTV puisque le groupe refuse de tourner des clips. Si l'album est effectivement bon, son succès (plus de trois millions de copies rien qu'aux USA) est certainement dû à la réputation grandissante des trois premiers albums. Ce nouveau départ est une réussite : sur fond de compositions plus sombres et très denses, Metallica prend pour cible les excès du système judiciaire américain et la corruption. Peu de temps après sort enfin un clip, « One ». En 1989, Metallica est nommé pour les Grammy Awards, mais perd face à Jethro Tull (catégorie « meilleure performance hard rock/metal »). C'est sans incidence pour le groupe qui se rattrape l'année suivante, grâce à « One » qui lui vaut le Grammy de la meilleure prestation metal.
En 1991, Le groupe s'associe au producteur canadien Bob Rock (Bon Jovi, The Cult). Le résultat est l'album éponyme du groupe, souvent nommé The Black Album, en raison de sa pochette noire. Le succès est énorme : numéro 1 durant quatre semaines consécutives, le disque se vend à plus de neuf millions d'exemplaires rien qu'aux Etats-Unis. Il permet à Metallica d'élargir son public avec des titres plus courts (et plus nombreux), un son heavy plus classique (moins de distorsions) et des structures plus simples. Les nouveaux fans adorent ; certains anciens grincent des dents et accusent le groupe de mercantilisme. L'album est néanmoins une réussite et recèle des titres denses en émotion (« The Unforgiven » et la ballade-tube « Nothing Else Matters » soutiennent la comparaison avec les plus anciens « Fade To Black » ou « Sanatorium ») même s'il n'atteint pas l'unité thématique qui faisait la forte identité des productions antérieures. La même année, un second Grammy est attribué au groupe pour la reprise de Queen, « Stone Cold Crazy ». La formation part alors en tournée et passe par Moscou où ils se produisent devant 500 000 spectateurs, en compagnie d'AC/DC et Pantera. Un troisième Grammy récompense « Enter Sandman » en 1992.
La blessure de Hetfield oblige le groupe à une pause forcée, suivie d'une nouvelle série de tournées. En 1994, Metallica participe au festival de Woodstock II. En 1995, retour en studio, à nouveau en compagnie de Bob Rock. Le nouvel album, Load, sort en 1996. La popularité du groupe se confirme... au prix d'une rupture avec le noyau originel des fans qui le désavoue. Il faut dire que la rage et la violence sont moins présents : Metallica a rompu avec l'image polémique et destructrice des valeurs bien pensantes qu'il incarnait. Cheveux coupés, nouveau dessinateur pour la pochette (Anton Corbijn), changements d'orientation musicale : le groupe se renouvelle. Il ressort de l'album une atmosphère de rock alternatif et des nuances de rock sudiste. En termes de ventes et de réception, c'est un hit : l'été de sa sortie, en deux mois, Load se vend à 3 millions d'exemplaires, et il atteint la première place des classements. Le groupe accepte alors d'être la tête d'affiche du sixième festival Lollapalooza.
En 1997, paraît ReLoad, qui fait suite à Load : même démarche musicale, l'album comporte de nouvelles compositions ainsi que des chansons issues des sessions de Load. Le groupe se défend de faire un recyclage commercial : Load et ReLoad seraient deux albums complémentaires, dont la continuité est un résultat conscient et programmé. Les critiques restent quand même mitigées. Malgré une inspiration qui commence à s'essouffler, Metallica reste cependant un groupe bien établi, vendant ses albums comme des petits pains.
1998 est une année chargée pour le groupe, qui mène de front l'enregistrement de Garage Inc., double album constitués de reprises et de quelques inédits, ainsi qu'une intense campagne de poursuites judiciaires. D'abord contre Amazon.com, qui propose à ses abonnés un album non autorisé ; puis contre une marque de... cosmétique : imaginez-vous soigner vos lèvres gercées avec un baume « Metallica » ? Les membres du groupe non, et un procès s'en suit contre le fabriquant Victoria's Secret. 1999 est une meilleure année : en avril, S&M confirme l'inclination expérimentale du groupe. Le groupe se produit deux fois avec l'orchestre symphonique de San Francisco : la combinaison est gagnante et les deux concerts sont suivis de la sortie du disque de l'enregistrement. Côté récompenses, le groupe reçoit un quatrième Grammy pour « Better Than You » (Reload), puis un prix Diamant de la Recording Industry Association of America pour avoir vendu plus de 10 millions de singles.
Après 14 ans environ de stabilité, Metallica doit brutalement se passer de Jason Newsted, qui quitte le groupe sans qu'aucune querelle apparente n'en soit à l'origine, et part rejoindre Voivod. Le groupe se trouve - à nouveau - privé de bassiste et la recherche d'un remplaçant à Newsted s'étale sur toute la durée de l'enregistrement de leur nouvel album, St Anger (qui ne sort qu'en 2003). C'est donc Bob Rock qui, outre ses fonctions de producteur, fera aussi office de bassiste intérimaire. En juillet 2001, Metallica abandonne ses poursuites contre Napster (pas très cohérent avec l'image de rebelle du groupe, du moins ce qu'il en reste), puis suspend l'enregistrement de l'album quand Hetfield entre en cure de désintoxication, notamment pour alcoolisme. L'enregistrement reprend en 2002. Puis Robert Trujillo (ex-Suicidal Tendencies) est recruté à la basse à temps pour la tournée mondiale de 2003/2004. En 2005 le double DVD documentaire Some Kind Of Monster retrace la gestation plus que houleuse de St Anger.
Death Magnetic, produit par Rick Rubin qui remplace Bob Rock après de nombreuses années de collaborations, sort en septembre 2008. Ce neuvième album de Metallica maintient sans mal le groupe au sommet du metal et rassure sur sa capacité à rebondir encore et encore. Moins inspiré, Metallica se laisse entraîner en 2011 par Lou Reed dans l'aventure Lulu. Le disque qui sort en novembre 2011 laisse à juste titre les fans plus que dubitatifs. Alors que le groupe admet à plusieurs reprises enregistrer de nouvelles chansons, c'est par le biais du cinéma qu'il revient dans l'actualité en 2013. Le film Through the Never a pour cadre un concert de Metallica où les membres du groupe jouent leur propre rôle, tandis que se déroule une histoire extravagante en marge du show. Tourné en 3D, Through the Never est également le titre du double CD live qui accompagne la sortie du film.
Il faut attendre 2016, au terme d'un hiatus de près de huit ans, pour que le groupe délivre enfin un nouvel album studio, Hardwired... to Self-Destruct. Un temps pressenti, Rick Rubin devait prolonger sa collaboration avec le groupe après Death Magnetic, mais finalement, les clés de la production sont confiées à Greg Fidelman, une première pour Metallica, qui n'a connu jusqu'ici que trois producteurs. Accouché dans la douleur, ce double album est le premier pour lequel le guitariste Kirk Hammett ne participe pas à la composition. Le malheureux avait perdu son téléphone à l'aéroport de Copenhague en 2014, sur lequel se trouvaient 250 idées de riffs pour l'album... Celui sort le 18 novembre, précédé de trois singles puissants : « Hardwired », « Moth Into Flame » et « Atlas ! Rise ».
