До появления русских поселений в районе Мариинска жили тюркоязычные чулымские татары. В их этногенезе важную роль сыграли местные более древние самодийские и кетские субстратные компоненты.

Одна из трактовок названия реки Кии возводит гидроним к селькупскому слову «кы», что означает «река». Согласно другой версии, слово «кия» имеет тюркское происхождение и обозначает «каменистый склон, обрыв».

После Новокузнецка Мариинск считается старейшим городом в Кузбассе. Русское село Кийское было основано в 1698 году. Оно располагалось на главном почтовом Московском тракте. Населённый пункт получил статус города в 1856 году, но в течение всего следующего года сохранял название «Кийское». В 1857 был переименован в честь императрицы Марии Александровны (1824—1880) — жены Александра II. Летом 1891 года, в период строительства Транссибирской магистрали в Томской губернии, Мариинск посетил Николай II, тогда ещё цесаревич.

Мариинский район формировался в основном за счёт крестьян, переселённых в Сибирь из Центральной России, Украины, Забайкалья в период репрессий. Большинство из них продолжали заниматься земледелием; другими видами деятельности местного населения были торговля, мелкое производство, извоз, золотодобыча. В 1858 г. численность населения города составляла 3671 чел., в 1897 — около 8,5 тыс., а в 1913 г. — более 14 тыс. Для конца XIX — начала XX в. Мариинск считался довольно крупным городом, торговым и транспортным узлом. Возле Мариинска инженером Е. К. Кнорре был построен железнодорожный мост через Кию (1895 г.), открыт вокзал. В конце XIX века в Мариинске были заводы: 4 кирпичных, гончарный, пивоваренный, 2 мыловаренных и 3 кожевенных с общим оборотом не более 20 тыс. рублей.

О том, что город был «бойким» местом, говорит, в частности, тот факт, что в нём имелись храмы различных конфессий — две православные церкви (собор Николая Чудотворца и деревянная кладбищенская церковь), католический костёл и синагога. (Большая часть этих храмов была снесена после 1917 г.).

Не обошла стороной Мариинск и сибирская "золотая лихорадка". По берегам Кии раньше в небольших количествах добывали рассыпное золото. До 1897 года в течение 70 лет было намыто до 2800 пудов.

В 1829 году в Мариинске была построена знаменитая пересыльная тюрьма, где бывали в качестве заключённых-этапников и В. Ленин, и К. Рокоссовский, и Л. Гумилёв, и Л. Русланова, и даже актёр С. Мишулин. Новое здание тюрьмы, открытое в сентябре 1917 года, сохранилось. Теперь здесь СИЗО.

18 сентября 1984 года в 50 км юго-западнее Мариинска был произведён ядерный взрыв «Кварц-4» мощностью 10 килотонн с целью сейсмозондирования в рамках мирных ядерных взрывов в СССР (секретная программа «Программа № 7»).