In antiker Zeit verlief durch Mittenwald eine Römerstraße. Es handelt sich um den Brennerpass-Zweig der Via Claudia Augusta, der Augsburg (Augusta Vindelicum) und Bozen (Pons Drusi) verband. Auf Mittenwalder Flur könnte die von der Tabula Peutingeriana erwähnte Straßenstation Scarbia gelegen sein.

Mittenwald geht auf eine im Scharnitzwald gelegene Rodungssiedlung zurück und wurde 1096 als "in media silva" erstmals urkundlich erwähnt, 1305 wurde ihr das Marktrecht verliehen.

Die Wälder der Umgebung waren Grundlage für das Gewerbe der Flößerei. Die Zunft der Flößer verfügte über 20 Meister und zahlreiche Gesellen in Mittenwald.

Es war einer der Hauptorte der zwischen Tirol und Bayern gelegenen ehemaligen Grafschaft Werdenfels, die von 1294 bis zur Säkularisation 1802 dem Hochstift Freising angehörte und erst durch den Reichsdeputationshauptschluss 1803 an Bayern fiel.

Im Mittelalter bedeutender Umschlagplatz auf der Handelsroute vom unteren Weg von Augsburg/Nürnberg nach Venedig, profitierte Mittenwald ab dem ausgehenden 15. Jahrhundert vom Rottfuhrwesen, dem zeitweilig am Ort abgehaltenen Bozener Markt und dem transalpinen Fernhandel. Am Ende des 17. Jahrhundert entfalteten sich unter diesen Voraussetzungen neue Gewerbe wie die Bortenwirkerei, die Filetseidenstickerei und ab 1689 die Geigenbautradition, begründet durch Matthias Klotz. Seitdem entwickelte sich Mittenwald neben dem sächsischen Markneukirchen zum bis heute bedeutendsten Zentrum des Streich- und Zupfinstrumentenbaus in Deutschland (siehe unten).

Der Bau der Bahnlinie Garmisch-Partenkirchen – Innsbruck (Mittenwaldbahn) um 1912 brachte den Fremdenverkehr in den Ort.

Mittenwald wurde in den 1930er Jahren Garnison und Ausbildungszentrum der Gebirgstruppe der Wehrmacht. Seit 1956 hat es diese Funktion erneut im Rahmen der Bundeswehr.

Nach dem Ende des Zweiten Weltkrieges 1945 gehörte Mittenwald zur Amerikanischen Besatzungszone. Die Militärverwaltung errichtete in Mittenwald ein DP-Lager ein für jüdische und ukrainische so genannte Displaced Persons (DPs). Die ukrainischen DPs wurden in der Gebirgsjägerkaserne und im Lager Luttensee (der heutigen Luttensee-Kaserne) untergebracht, für die jüdischen DPs wurden einige Mittenwalder Hotels requiriert.

Fester Bestandteil der Brauchtumspflege sind die in Vereinen organisierte Musikkapelle, der Trachtenverein, der historische Spielmannszug, die Gebirgsschützen und diverse kirchliche Gruppen, die eigene Feste veranstalten und an allgemeinen Festen und Umzügen teilnehmen. Darüber hinaus gibt es recht urige Vereine wie die "Schoferer" (Schafzüchterverein) oder die Fingerhakler. Wie im gesamten Alpenraum, so ist auch der Fasching in Mittenwald eine besondere Zeit. Dann leben die "Maschkara" (die Maskierten) auf, die Schellenrührer, Jackelschutzer, Goaslschnoizer, Pfannenzieher, Untersberger Mandl, Angler, Teufels- und Bärentreiber, die auf den Straßen und in den Gaststätten zu finden sind. Die zugehörigen Utensilien, vor allem die sehr individuellen Holzlarven (es gibt keine zwei gleichen), sind in Familienbesitz und werden oft seit Jahrzehnten, wenn nicht Jahrhunderten weitergegeben. Abends gibt es in den traditionellen Gaststätten gemütliche Abendveranstaltungen (Gungeln) mit Musik und Tanz.