За свідченнями істориків, поселення на місці теперішнього Тростянця виникло в першій половині XVII ст., під час нової хвилі переселення селян і козаків із Правобережної України на Слобожанщину, спричиненої поновленням панування польської шляхти після битви під Берестечком (1651).
Назву міста пов’язують із назвою річки Тростянки, яка протікає неподалік.
Наприкінці XVII століття власником Тростянця стає охтирський полковник Іван Перехрестов.
У 1720 році тростянецькі перейшли до царського духовника Тимофія Надаржинського. До 1820 року Тростянець належав безпосередньо сім’ї Надаржинських, а з 1820 року — яко посаг — переходить до сім’ї генерала Олексія Корсакова, з 1843-го — до сім’ї князя Василя Голіцина.
До 1765 року Тростянець був у юрисдикції Охтирського полку, потім — у складі Слобідсько-Української губернії. З 1835 року Тростянець входив до складу Харківської губернії. Господарство містечка розвивалося дуже повільно через важкий матеріальний стан населення. Заможністю виділялися лише багата садиба князів Голіциних (манеж, цирк, театр, поміщицька садиба та церква).
За даними на 1864 рік у власницькому селі Охтирського повіту мешкало 2150 осіб (1025 чоловічої статі та 1125 — жіночої), налічувалось 392 дворових господарства, знаходилася православна церква, функціонували цукробуряковий, горілчаний, винокурний, цегельний та селітряний заводи, відбувались 3 щорічних ярмарки та базари.
В 1868—1874 роках маєтком володіє петербурзький купець Марк. 1874 року Тростянець придбав великий цукрозаводчик Леопольд Кеніґ. Останнім власником маєтку до 1917 року був його син Юлій.
1877 року в Тростянці за наказом російського міністра шляхів сполучення збудували локомотивне депо «Смородине» та закуплено 12 паротягів.
Станом на 1914 рік село було центром окремої, Тростянецької волості, кількість мешканців зросла до 4568 осіб.
Під час організованого радянською владою Голодомору 1932—1933 років померло щонайменше 46 жителів міста.
12 липня 1940 року Тростянцю надано адміністративний статус міста.
Радянські війська відійшли з боями 10 жовтня 1941 року.
27 березня 1978 року села Смородине і Радомля включені в смугу міста Тростянця.
У вересні 2010 року було відзначено на державному рівні 350-річчя заснування міста Тростянець Сумської області, проєкт відповідної Постанови Верховної Ради України був розроблений та зареєстрований у Верховній Раді України народним депутатом України, першим секретарем Сумського обкому КПУ Володимиром Даниленком.
Російсько-українська війна
Докладніше: Російсько-українська війна (з 2014), Російське вторгнення в Україну (2022) та Бої за Тростянець
Росіяни безперешкодно зайшли в місто 24 лютого вже о 8-й ранку: колона з понад 100 одиниць техніки. Потім, як згадують очевидці, різні бойові машини йшли через місто щодня.
Від самого початку російського вторгнення, з 24 лютого 2022 року місто потерпає від атак російської армії, а з 4 березня у місті гуманітарна катастрофа.
Понад місяць Тростянець перебував під контролем російських окупантів. 1 березня в місто завели три колони ворожої техніки.
4 березня голова Сумської обласної військової адміністрації Дмитро Живицький повідомив, що місто повністю окуповане. З 17 березня, у зв’язку із масштабними обстрілами міста, виникли проблеми із електропостачанням — багато кварталів міста було знеструмлено. Через відсутність електрики не працювало і водопостачання. Крім того, станом на 22 березня, уніслідок бойових дій у Тростянці також пошкоджена газова труба, тому у декількох районах міста відсутнє газопостачання.
26 березня 2022 року місто звільнене від російської армії, звідти вибили Кантемирівську танкову дивізію, командир 13-го танкового полку, що входив до складу цієї дивізії, застрелився.
З 27 березня розпочалась евакуація мешканців міста, що залишилися без житла, та завезення гуманітарної допомоги. Багато місць залишається замінованими, тому комунальні служби та ДСНС зможуть повністю відновити роботу після розмінування території громади.
Російськими загарбниками було розграбовано шоколадну фабрику, внаслідок бойових дій вона майже вщент розбита. Спалено будинок управителя маєтками Леопольда Кеніга (пам’ятку архітектури національного значення 1911 року, де розташовувалась Краснотростянецька лісова науково-дослідна станція). Постраждав Круглий двір, де, за словами Дмитра Живицького, російські солдати знесли танком ворота. Пошкоджена також картинна галерея в сусідньому палаці Голіцина.
Після звільнення міста роботу шоколадної фабрики вдалось частково відновити.
На думку мера міста Юрія Бови окупація та бойові дії відкинули місто в розвитку на близько 10 років.
