Город был основан в 1878 году как железнодорожная станция, благодаря строительству Екатерининской железной дороги, которая была крайне необходима для промышленности Донбасса.

Рядом со станцией находилось село Ильинка, которое было подарено статскому советнику, аудитору Екатеринославского пикинерского полка, обер-аудитору в штате князя Потемкина — Илье Николаевичу Дебольцеву.

В 1783 — 1786 годах он был надворным советником Воронежской палаты гражданского суда, затем председателем 2-го департамента Воронежского губернского магистрата. 23 февраля 1812 году император Александр I пожаловал Дебольцову дворянский герб.

Дочь Анна была замужем за генерал-лейтенантом, начальником Сестрорецкого оружейного завода Мазараки Семеном Семеновичем. Внук Ильи Николаевича, Андриан Семенович Мазараки, был известным музыкантом и меценатом. Праправнучка Обухова Надежда Андреевна — советская оперная певица с голосом меццо-сопрано, лауреат Сталинской премии, получила звание Народной артистки СССР, а также была кавалером ордена Ленина.

Село Ильинка переименовали в честь Ильи Николаевича Дебольцева, а станцию назвали Дебальцево.

Постоянные грузоперевозки начались 1 декабря 1878 года. Тогда в районе станции уже проживало около 2000 человек. Строили ее местные жители из соседних хуторов и поселков.

В 1894 вблизи станции был возведен механический завод, который производил вагонетки для узкоколеек, пролеты железнодорожных мостов и строительные фермы.

С 1905 года по 1908 год в Дебальцево расширили вагонные мастерские, построили два депо и товарную станцию. В 1911 году в городе уже проживало около 20 тысяч человек.

До установления власти большевиков, город постоянно переходил под контроль различных сил. В Дебальцево находились и Красная армия, и донские казаки, и войска Деникина.

28 декабря 1917 года донскими казаками партизанского отряда есаула В. М. Чернецова был прибит штыками к вагону Николай Николаевич Коняев, командир дебальцевского отряда Красной армии.

Происходящее в Дебальцево изложил в рассказе «Морозная ночь» Алексей Толстой. В художественном произведении описано, как на станции зарублены шашками 20 человек. Многие были взяты в заложники.

Под командованием Людмилы Мокиевской-Зубок в Дебальцево прорвался бронепоезд «Власть Советам!». Единственная женщина, которая командовала бронепоездом, погибла во время боя. Лишь в 1919 году в городе была установлена советская власть.

В 1921 году Дебальцево получил статус уездного города Бахмутского уезда Донецкой губернии. В 1925 году на механическом заводе установили прокатное и доменное оборудование. К 1939 году появились электричество и водопровод. Были построены стадион и Дворец культуры железнодорожников на 1200 мест, а также открылся филиал Харьковского железнодорожного института.

В 1941 году после поражения немецких войск под Ростовом-на-Дону, противник начал боевые действия по окончательному захвату Донбасса. В наступательной операции участвовали 52-я итальянская дивизия «Торино» и группа войск генерала Шведлера.

3 сентября 1943 года город освободили от захватчиков в ходе Донбасской операции. В боях участвовала 51-я армии в составе: 346-й стрелковой дивизии, 54-го стрелкового корпуса и части сил 11-йистребительно-противотанковой артиллерийской бригады.

8 сентября 1943 года Верховный главнокомандующий Иосиф Сталин объявил благодарность участвующим в боях за освобождение Донбасса. В Москве был дан салют двадцатью артиллерийскими залпами из 224 орудий. Приказом Сталина в честь одержанной победы 346-й стрелковой дивизии, отличившейся в боях за освобождение города Дебальцево, ей присвоено наименование «Дебальцевская».

После окончания Великой Отечественной войны, железнодорожный узел подвергся значительной реконструкции, что способствовало увеличению транспортного потока. Механический завод стал Дебальцевским машиностроительным заводом, где стали производить затворы доменных печей, чугоновозы, шлаковозы и сталеразливочные ковши.