Первое упоминание о Сестрорецке (Систер-беке) обнаруживается в шведских хрониках начала XVII века — в 1643 году. Уже в те далекие времена в устье Сестры-реки находились гавань и торговое поселение — ярмарка. А шведское название места вполне понятно — оно и есть название реки, которая имеет протяженность 74 километра (это ровно столько, сколько и Нева!) и начинается в карельских лесах шведской, а затем и финской вотчины. Русское же название «Сестрорецк» укоренилось в петровскую эпоху.

В 1703 году — в год основания Санкт-Петербурга, на реке Сестре состоялось сражение русских войск под предводительством Петра со шведами, еще через семь лет царь отрядил команду офицеров для тщательного изучения мест на Сестре, а в 1714 году и сам решил обозреть удивительные окрестности. После этого началось строительство летней резиденции Петра в Дубках — дворца по проекту голландского архитектора Ван Звиттена, родился грандиозный замысел строительства Оружейного завода, ради возведения которого были созданы плотины. Именно благодаря им и с их помощью появилось первое в мире рукотворное искусственное озеро - Сестрорецкий разлив. Все три знаковых для Сестрорецка объекта соединились в памятник мирового значения под эгидой ЮНЕСКО под номером 25 — «Сестрорецкий Разлив, оружейный завод и парк «Дубки».
Действительно, Петр I самолично принимал рапорт об открытии завода 27 января 1724 года, сам сажал в знаменитом парке дубы (если верить легендам — числом более двухсот). Из летней резиденции Петр I отправился в роковое путешествие по воде в Петербург, попал в шторм, простудился, спасая тонущих рыбаков в Лахте, после чего умер.

Завод начал работу с 20 цехов, или, как тогда говорили, фабрик. 28 воздействующих колес приводили в движение машины. В начале XVIII века Сестрорецкий оружейный завод был передовым по своей технической оснащенности во всей Европе. Основу оружейной продукции того времени составляли мушкетоны, пистолеты, пищали, пушки, шпаги и палаши. Здесь изготавливали и огромное количество пороха. А в 1756 году на заводе была создана монетная экспедиция, которая за десять лет существования отпечатала для царской империи медных монет на 2 миллиона рублей.

Нередки были и «непрофильные» заказы. Они до сих пор поражают искусством и мастерством в исполнении. Это металлический орнамент для мостов Царского Села, «Гольштинский глобус» (он сгорел во время пожара в Академии наук и восстановлен заводскими мастерами в 1749 году), серебряная рака для останков Александра Невского, хранящаяся в Эрмитаже, «Папинова машина» для химической лаборатории Михайло Ломоносова, а также часы для Петропавловского собора из меди и чугуна весом 55,5 пудов. В 1867 году на Всемирной выставке в Париже заводу вручили бронзовую медаль — завод обрел славу одного из самых современных и лучших в Европе оружейных производств.

С 1894 по 1902 годы начальником завода был талантливый конструктор русского оружия Сергей Иванович Мосин. Его магазинная трехлинейная винтовка образца 1891 года на протяжении многих лет являлась основным оружием русской пехоты. Состояла она и на вооружении Советской Армии и по своей прочности, безотказности и другим боевым качествам являлась лучшей винтовкой мира. С 1907 по 1918 годы на заводе работали изобретатели русского автоматического стрелкового оружия Владимир Федоров, Василий Дегтярев и Федор Токарев. Улицы Мосина и Токарева хранят память о них в своих названиях.

С 1918 года, после того как государственная граница с Финляндией прошла в двух километрах от Сестрорецка, завод полностью перешел на изготовление инструмента и стал называться Инструментальным. Его продукция славилась по всей стране и поставлялась в 50 стран мира.

В 1721 году, одновременно с постройкой Оружейного завода, на его территории была возведена деревянная Петропавловская церковь, а после пожара она была отстроена на другом месте. Пожарам этот храм и другие церковные сооружения в Сестрорецке подвергались не раз. Замечательный природный парк, пляж из золотистого песка, величественные дюны с корабельными соснами — все это стало основой Курорта. Проектирование и строительство комплекса, открытого в июне 1900 года, прославило Россию — весть о нем разнеслась по Европе. Здесь был знаменитый курзал (разрушен в годы Великой Отечественной войны), где летом давали концерты в исполнении постоянного симфонического оркестра, устраивались балы.

Сегодня в Сестрорецке и его окрестностях множество санаториев и пансионатов: Тарховский военный санаторий, пансионат «Дюны», санаторий «Дюны», детский реабилитационный центр «Дюны», санаторий «Белые ночи» и пр.

Особой страницей в истории Сестрорецка стоит его участие в Великой Отечественной войне, когда он вместе с Ленинградом оказался в кольце блокады. Граница сопротивления проходила по Ржавой канаве на 39-м километре Приморского шоссе, здесь был остановлен танковый прорыв немецко-финской армии и здесь проходил рубеж сестрорецкой обороны. В 1966 году здесь установлен монумент «Сестра».

16 июня 1925 года Сестрорецку был присвоен статус города.