Prawdopodobnie nazwa Bielawa wywodzi się od nazwy strumienia i jest pochodzenia słowiańskiego (biela, bila — biała). Pierwsza udokumentowana wzmianka o osadzie pochodzi z 1288 roku. Wówczas to zakończył się długoletni spór między biskupem Wrocławia — Tomaszem II Zarembą, a księciem wrocławsko-krakowskim — Henrykiem IV Probusem, o ustalenie wzajemnych stosunków między władzą kościelną a świecką.

Ustępując w sporze, książę ufundował kapitułę kolegiacką przy kościele św. Krzyża we Wrocławiu, obdarowując ją między innymi 48 dużymi łanami czynszowymi we wsi Biela. Od 1392 r. Bielawa wraz z całym księstwem świdnickim znajdowała się w granicach Czech i dzieliła ich losy polityczne. W 1526 r., w wyniku bezpotomnej śmierci króla Czech i Węgier (Ludwik II Jagiellończyk poległ w bitwie pod Mohaczem) Bielawa wraz z całym Śląskiem przeszła pod panowanie Habsburgów austriackich. W 1530 r. podczas rozprzestrzenienia się reformacji, ludność Bielawy przeszła na luteranizm. W XVII w. w Bielawie rozwinęło się szeroko tkactwo. W 1718 r. powstała pierwsza manufaktura. Na początku XVIII w. we wsi panowała zaraza, która według ówczesnych przekazów  tragiczna w skutkach dla mieszkańców.

W 1741 r. wieś zajęta została przez wojska pruskie, a ewangelikom przyznano swobodę wyznaniową. Rok później, według ustaleń pokoju wrocławskiego Bielawa, wraz z całym Dolnym Śląskiem i większą częścią Górnego przeszła pod panowanie Królestwa Prus. W 1743 r. doszło do otwarcia pierwszego we wsi zboru ewangelickiego. W 1805 r. miejscowy przedsiębiorca założył we wsi przedsiębiorstwo tkackie. W późniejszych latach jego fabryka znacznie się rozwinęła i stała się największą włókienniczą manufakturą na terenie Śląska (pod nazwą Christian Dierig AG). 05.06.1844 r. w Bielawie wybuchło powstanie tkaczy domagających się wyższych płac za swoją pracę. W trakcie powstania 3000 tkaczy wdarło się na teren zakładów Dieriga oraz do jego domu. Mimo krwawego stłumienia zrywu przez wojsko (11 zabitych, 24 ciężko rannych), okupujących usunięto dopiero po kilku dniach. Zniszczenia towaru i maszyn dokonane podczas okupacji były bardzo poważne i sięgnęły wartość 80 000 talarów. Doprowadziło to wycofania się Dieriga z życia zawodowego jeszcze w tym samym roku. Kontrolę nad firmą przekazał on synom Wilhelmowi i Friedrichowi, którzy zmienili jej nazwę na Gebrüder Dierig (Bracia Dierig).

To krwawe wydarzenie zostało opisane przez późniejszego noblistę Gerharta Hauptmanna w dramacie Tkacze. Dramat ten pisał autor częściowo w Bielawie, chcąc lepiej wczuć się w atmosferę i sytuację buntu tkaczy bielawskich z czerwca 1844 roku. W drugiej połowie XIX w. nastąpił gwałtowny rozwój wsi, czego przejawem było m.in. wprowadzenie oświetlenia gazowego (1864), powstanie pierwszej gazety „Langenbielauer Anzeiger” (1877), zainstalowanie światła elektrycznego (1883), czy wreszcie otwarcie linii kolejowej Dzierżoniów–Bielawa (1891). Budowa fabryk, a co się z tym wiązało rozwój miejscowości oraz znaczny przyrost ludności w końcu XIX w., przyczyniły się do nadania Bielawie w 1924 r. praw miejskich. Podczas II wojny światowej Niemcy utworzyli w pobliżu Bielawy filię obozu koncentracyjnego Gross-Rosen.

08.05.1945 r. miasto zajęły wojska radzieckie, a już 23 czerwca powołano tam pierwszego polskiego burmistrza. Zgodnie z postanowieniami konferencji poczdamskiej Bielawa wraz z Dolnym Śląskiem stała się częścią Polski W tym samym roku znacjonalizowano  i ponowne uruchomieno zakłady włókiennicze Christian Dierig AG pod nazwą Państwowa Fabryka Wyrobów Bawełnianych Nr 1 w Bielawie (tzw. Bielawska Jedynka),a od 1950 r. jako Bielawskie Zakłady Przemysłu Bawełnianego im. II Armii Wojska Polskiego. W kwietniu 1946 r. rozpoczęto akcję przesiedlenia dotychczasowych mieszkańców Bielawy do Niemiec Zachodnich. 

Od XIX w. Bielawa należała do powiatu dzierżoniowskiego — do 1946 r. p.n. rychbachskiego (z przerwą 1975–1998) w ramach województwa wrocławskiego do 1975 r., wałbrzyskiego 1975–1998, a obecnie dolnośląskiego. W 2012 r. w mieście żyło ponad 31 tys. osób.