スポーツ新聞社・ロト（L’Auto、現在のレキップ紙）の宣伝のために当時の編集長アンリ・デグランジュが自動車による「ツール・ド・フランス」をヒントに企画したのが始まりで、自転車レースを企画するライバル2紙、ル・プティ・ジュルナル (Le Petit Journal) によるパリ?ブレスト往復（PBP、現在はアマチュアが参加するブルベというイベントに変わっている）、並びにヴェロ紙（L’Velo）がスポンサーとなるボルドー?パリ間レースに対抗するためのものであった。
1903年に行われた第1回大会は合計走行距離2428km・6ステージで行われ、1ステージ平均400kmを走るという過酷なレースであった。初期のレースではほとんど休みが無い耐久戦であり、眠る際にもライダーは道路脇で眠っていたというが、一方で休息日が第1回は1日おき（1ステージ走ったら1日休み）、その後も3?4日ごとに設けられるなど、休息日の数は現在よりも多かった。ゴール先の宿泊先も自分で手配し、またいかなる場合でも（自転車の故障による修理なども含む）他者の協力を得ることは禁止されていたため、選手は修理用の工具や交換用のタイヤを身に着けて走っていた。
第3回大会からは距離を縮めた分、ステージ数が倍増。さらに山岳ステージが導入された。ただ当時は変速機が無く、登山用の低速ギアが後輪の反対側（ダブルコグ）に取り付けられていた。しかし、上り坂に来るたびに選手は後輪を前後反対に付け直さねばならなかったためレースは相変わらず過酷なものだった。まもなく変速機が開発されるが、デグランジュはこれを禁止した（デグランジュは「変速機は女子供が使うもの」との考えを持っていたといわれる）。
初期はルールが一定せず、第3回?第10回までは総合優勝がポイント順位制（各ステージ首位の選手とのタイム差をポイントに換算し、点数の最も少ない選手が優勝）とされていた。また第9回からチームによる参加が認められたが、引き続き個人としての参加も可能となっていた（1936年まで）。
以後も徐々にステージ数は増えそれに伴いレースは大規模化していくが、第一次世界大戦によって1915年から1918年までは中断。1919年から再開されたが、この頃は再び走行距離も伸び1ステージ平均350kmを走るのが当たり前で、総距離は5000kmを超える傾向が1930年代まで続いた。
1930年からは商業スポンサーによるチーム（いわゆる「トレードチーム」）の参加を禁止し、チームは全て同一国籍の選手によるナショナルチームでの参加を義務付けることとなった（しかしチーム数が不足したため、ナショナルチーム以外にも地域選抜チームの参加も認められた）。チームから商業スポンサーを排除した結果、主催者は選手への機材の供給を一手に引き受けなければならなくなったが、主催者は運営費用を調達するため、レースの前に宣伝カーを走らせてそのスポンサー料を運営費用に宛てることを思いつく。この結果、現在のツールでもおなじみの「キャラバン隊」がこの年に誕生した。
1930年代以降はステージ数20前後、走行距離は4500km程度の規模になり、ほぼ現在の開催スタイルとなる。1937年にデグランジュが代表の座を退くと、ツールでは変速機の使用が認められるようになったほか、個人参加が禁止され、チームカーが導入されるなど「チームによる戦い」としてのツールが確立される。総合優勝以外の各賞が制定されたのもこの頃で、チーム賞は1930年、山岳賞は1933年（ただしジャージ制定は1975年）、ポイント賞は1953年に制定されている。
しかし第二次世界大戦によって1940年から1946年まで再び中断を余儀なくされた。この戦争を挟んだ時代に参加した選手の中にイタリアのファウスト・コッピ、ジーノ・バルタリがいる。この時代からツールはチームを編成した集団競技へと移行し、チーム編成の規定も試行錯誤が続けられた。1947年から再開され、以後1950年代にルイゾン・ボベが3連覇を達成した。
1960年代に入ると自転車レース人気の高まりからスポンサーが増え、ナショナルチーム制を取る当時のツールに対する不満が高まってきた。これに加えフランスナショナルチーム内の内紛（ジャック・アンクティルとレイモン・プリドールの不仲に起因するもの）などもあり、主催者は1962年よりトレードチームによるエントリーを認めることとなった。その後1967年・1968年には一時的にナショナルチーム制が復活するものの、現在に至るトレードチームによる戦いがここにスタートした。
1960年代にはアンクティル、1970年代前半にエディ・メルクスが4連覇を達成。1973年には独立した運営企業として「ソシエテ・ド・ツール・ド・フランス」が設立された（同社は1993年にASO傘下となる）。1975年には今や恒例となっているシャンゼリゼ通り周回コースによる最終ステージがスタートした。1970年代後半からはベルナール・イノー やローラン・フィニョンらフランス人が活躍。1980年代後半は後半はヨーロッパ出身以外の選手の台頭も目立つようになり、アメリカ人のグレッグ・レモンが活躍した。
1990年代前半にはミゲル・インドゥラインが史上初の5連覇を達成。2000年代にはランス・アームストロングが7連覇を達成している。
他に3週間程度にわたり行われる大規模なステージレースとしてはジロ・デ・イタリア（イタリア一周）とブエルタ・ア・エスパーニャ（スペイン一周）があり、これにツール・ド・フランスを加えて俗にグランツール（三大ツール）と呼ばれるが、その中でもツールの知名度・露出度は突出しており、日本でも「世界最大の自転車レース」として認識されている。
また世界中で他の自転車レースには興味がなくてもツールだけは熱狂的に応援するファンが多数存在しており、開催規模や放映される国の多さ、参加する選手の国籍の多彩さなどから見ても世界屈指のスポーツ競技大会である。
そのため総合優勝をはじめとした各賞のステータスが非常に高いことはもとより、各ステージの優勝もクラシックなどのビッグレースでの優勝に匹敵する価値があるとされ、1回のステージ優勝であっても生涯の勲章になる。さらに超級山岳ポイントの峠を1位で通過するだけでもステージ優勝と同じくらいの価値があるとされ、次回以降通過する際、歴代の峠の制覇者としてオフィシャルガイドに名前が掲載される。それゆえプロロード選手にとっては一度は出場してみたい大会の筆頭である。
