Гидроним по названию башкирского племени катай.
1655 год. На берегу Исети, в устье Катайки на земле племени кара-катайцев казаки основали поселение — острог, который назвали Катайским. Заводил и строил Катайский острог Верхотурский сын боярский Панкратий Семёнович Перхуров (1595—после 1660).
В 1657 году в Катайском остроге прибрано на денежный оброк пять семей русских людей, и 36 семей татар и черемис.
В августе 1662 года восставшие инородцы под руководством царевича Девлет-Гирея (внук хана Кучума) разгромили слободы на р. Исети, в т.ч. Катайский острог.
1668 год. Катайский острог был передан из ведомства Верхотурского в ведомство Тобольского уезда (подчинение). Главная причина — он стоял на торговом пути, идущем из Тобольска в Москву и играл важную роль в обороне слобод Тобольского уезда.
1695 год. В остроге (отстроенном в 3-й раз) и окружающих его деревнях числилось 58 дворов казаков и 269 — крестьянских.
В 1719 году, спустя 24 года, острогу принадлежало с. Ильинское и 21 деревня, в которой насчитывалось уже 550 дворов.
1737 год. Восставшие башкиры под руководством Бепени Торопбердина, Тюлькучуры Алдагулова, Мандара Карабаева, Юлдаша Суярембетова и другими вели бои за острог.
1774 год. Крестьяне Катайского острога подняли восстание, сформировали отряд и с двумя пушками прибыли под Далматов монастырь к походному атаману Прохору Пестереву.
31 мая 1791 года. Освящён храм во имя Богоявления.
1832 год. Открылось приходское училище.
1871 год. В Катайской волости насчитывалось грамотных 120 человек, то есть один грамотный мужчина приходился на 38 неграмотных и одна «читающая» женщина — на 484 не знакомых с Букварём.
1881 год. Сдана в эксплуатацию телеграфная линия с. Катайское — Каменский завод.
1 октября 1900 года. Открыт медицинский участок на пять коек.
C XIX по начало XX веков посёлок являлся крупным центром торговли зерном.
1909 год. Впервые упоминается Катайская волостная библиотека.
1910—1912 гг. Построена и приняла первых больных волостная больница.
С 1 ноября 1913 года начинается регулярное функционирование железной дороги Синарская — Шадринск. В Катайском появилась своя ж/д станция.
К 1914 году в Катайскую волость входили 9 населённых пунктов: село Катайское, сёла Троицкое, Корюковское, Ильинское, Черемисское, Боровское, деревни Кораблёва, Савина, Шевелёва. В Селе Катайском было 272 двора с населением 1362 человека. По всей волости проживал 14551 человек.
Весна 1918 года. Передача власти из рук волостной управы в руки Советов.
В 1919 году в Катайской волости Камышловского уезда образован Катайский сельсовет.
На основании постановлений ВЦИК от 3 ноября 1923 года и 12 ноября 1923 года в составе Шадринского округа Уральской области образован Катайский район.
12 февраля 1944 года село Катайск получило статус города районного подчинения с включением в городскую черту населённых пунктов Кораблёво, Троицк, Одино, Савино.
С 1 февраля 1963 года упразднён Катайский район, город Катайск получил статус города областного подчинения.
С 12 января 1965 года образован Катайский район, город Катайск преобразован в город районного подчинения.
С 12 мая 1965 года в административное подчинение Катайского городского Совета передано с. Хвойное (б. ц. у. Катайского Госплемптицезавода)