Attorno al 300 a.C. l'asciutto suolo desertico incominciò a produrre colture per la popolazione di Hohokam, che impiegò secoli per sviluppare un complesso sistema di canali di irrigazione, per poi abbandonarli misteriosamente attorno al 1450. Resti dei canali si possono vedere al museo Pueblo Grande.

In seguito, piccoli gruppi di indiani pima e maricopa si stanziarono lungo il Gila River e il Salt River, ma non ci furono più insediamenti permanenti fino alla metà degli anni Sessanta del XIX secolo, quando l'esercito statunitense costruì Fort McDowell a nord-est di Phoenix. Questo fatto sollecitò il cercatore Jack Swilling (un ex soldato) a riattivare i canali degli Hohokam per irrigare le coltivazioni destinate alla guarnigione, e portò alla fondazione di una città nel 1870. Darrel Duppa, un colono britannico, suggerì che la città era nata dalle ceneri della cultura Hohokam come la leggendaria fenice, e il nome (Phoenix) venne deciso. Allo stesso tempo, Charles Trumbull Hayden creò un sistema di traghetti per spostarsi e commerciare sul Salt River, a sud-est di Phoenix. Duppa, ricorrendo di nuovo alla sua cultura classica, disse che il posto gli ricordava la Valle di Tempe vicino al monte Olimpo in Grecia e, ancora una volta, il suo suggerimento fu accolto.

Phoenix si affermò presto come centro di agricoltura e di trasporti. La ferrovia arrivò dal Pacifico nel 1887 e quando Phoenix divenne la capitale del territorio, nel 1889, aveva circa 3000 abitanti. Anche Tempe stava crescendo, e nel 1886 fu fondata l'Arizona Normal School, che divenne poi l'Arizona State University (ASU). Altri villaggi cominciarono a crescere: Mesa fu fondata dai mormoni nel 1878, e Scottsdale un decennio dopo, chiamata così dal nome del cappellano dell'esercito Winfield Scott, uno dei primi a stanziarsi.

La mancanza di acqua costituì il principale ostacolo a un'ulteriore crescita fino al 1911, quando gli operai terminarono di costruire la diga Roosevelt sul Salt River, la prima di molte grandi dighe che sarebbero state costruite nello Stato. L'opera fu progettata in previsione di una crescita, e Phoenix effettivamente crebbe.

Nel 1926 la ferrovia di Phoenix divenne transcontinentale, permettendo alle popolazioni dell'Est di giungere in Arizona in numero sempre crescente. Molti vennero per divertirsi, per stare in ranch turistici e fare i cowboys per qualche settimana o per rilassarsi nel lussuoso Arizona Biltmore, aperto nel 1929 e ancora uno dei migliori del West. Altri vennero per motivi di salute: l'aria secca del deserto era nota per la capacità di curare diversi problemi respiratori. Molti di questi visitatori poi restarono, compresi Dwight e Maie Heard, che arrivarono nel 1895 per curare i problemi polmonari di Dwight. Questi divenne un importante uomo d'affari ed editore e fondò con sua moglie il più interessante museo di Phoenix, l'Heard.

La storia delle origini di quest'area non è immediatamente evidente alla maggior parte dei turisti, che vedono solo una grande e moderna città. Le due cause principali di questa modernità sono state l'avvento dell'aria condizionata dopo la Seconda guerra mondiale e la deviazione del corso del Colorado verso Phoenix dopo il 1968. Dalla Seconda guerra mondiale a oggi la popolazione della valle si è sestuplicata: negli anni Ottanta arrivarono più di 100.000 nuovi residenti ogni anno, facendo della regione l'area a crescita più veloce. Edifici moderni hanno rimpiazzato la maggior parte di quelli vecchi, anche se non tutti. L'economia della valle continua a essere trainata da politica, agricoltura, trasporti e turismo, ma la recente crescita ha introdotto l'industria e il settore manifatturiero, specialmente per componenti elettrici ed elettronici.