Dotzheims Geschichte reicht bis in die jüngere Eisenzeit zurück. Bereits ab etwa 400 vor Christus existierten dort keltische Siedlungen, wie Steinkistengräber in der Hohlstraße belegen. Auch die Römer hinterließen Spuren: 222 nachChristus stifteten Fortunatus und Sejus einen Altar, dessen Fragmente heute noch erhalten sind.

Im sechsten Jahrhundert, nach dem Sieg des Merowingerkönigs Chlodwig über die Alemannen, begann die fränkische Besiedlung. Ein Gefolgsmann des Königs ließ sich im Belzbachtal nieder und gab dem Ort seinen Namen: Aus "Tuozesheim“ wurde im Laufe der Jahrhunderte " Dotzheim“.

Erstmals schriftlich erwähnt wurde Dotzheim im Jahr 1128. In dieser Zeit dominierten kirchliche Institutionen das Leben im Ort. Klöster wie St. Alban und Eberbach besaßen umfangreiche Ländereien, darunter auch Weingärten. Eine Urkunde des Klosters Eberbach vom 24. Juni 1275 nennt erstmals den Dotzheimer Wein: Ritter Philipp von Frauenstein schenkte dem Kloster Grundbesitz in Dotzheim, der eine Mühle und zwölf Morgen Weingärten umfasste. 

Im 13. und 14. Jahrhundert entstanden Adelsgeschlechter, die sich "von Dotzheim" nannten. Ihre Stiftungen, wie die gotischen Seitenkapellen der Klosterkirche Eberbach, zeugen von Dotzheims Bedeutung in dieser Zeit.

1610 zerstörte ein Brand rund die Hälfte der Dotzheimer Bausubstanz. Der Dreißigjährige Krieg traf den Ort noch härter: 1644 war er fast vollständig entvölkert. Erst Jahrzehnte später erholte sich Dotzheim von den Kriegsfolgen. 1695 entstand ein neues Pfarrhaus, 1698 ein Schulhaus. Von 1716 bis 1718 wurde die Pfarrkirche neu gebaut. 

Im 18. Jahrhundert stabilisierte sich Dotzheim und im 19. Jahrhundert entwickelte es sich zu einer Wohnsitzgemeinde. Viele Bewohner fanden Arbeit in der benachbarten Weltkurstadt Wiesbaden. Bis ins 19. Jahrhundert galt Dotzheim als "größtes Dorf des Nassauer Landes“. Mit der Industrialisierung und dem Anschluss an die Langenschwalbacher Bahn im Jahr 1889 erlebte die Gemeinde einen wirtschaftlichen Aufschwung. Rund um den Bahnhof entstand ein florierendes Gewerbegebiet.

Der Erste Weltkrieg, gefolgt von der französischen Besatzung, Inflation und der Wirtschaftskrise, führte zu erheblichen Belastungen für Dotzheim. Zeitweise waren 3.000 französische Soldaten stationiert, ab 1926 übernahmen englische Truppen. Die politischen Spannungen und die wirtschaftliche Not verstärkten den Wunsch, sich Wiesbaden anzuschließen. Dieser Wunsch wurde am 1. April 1928 erfüllt, genau 800 Jahre nach der ersten Erwähnung Dotzheims.

In der Weimarer Republik galt Dotzheim als "rotes Dotzem“ aufgrund des hohen Anteils der Stimmen für die KPD und SPD bei den Reichstagswahlen von 1924. Nach der Eingemeindung stieg der Einfluss der NSDAP. Ab 1933 folgten die Verfolgung politischer Gegner, die Vertreibung und Ermordung der jüdischen Gemeinde sowie die Zerstörung jüdischer Geschäfte. Die Wiederaufrüstungsbestrebungen des Nazi-Regimes führten zu umfangreichen Kasernenbauten. Der Zweite Weltkrieg brachte für Dotzheim teils schwere Zerstörungen, insbesondere bei den Luftangriffen im Februar 1945.

Bereits in den 1930-er Jahren begann die Besiedlung von Freudenberg und Märchenland. Es folgte die flächendeckende Bebauung des Kohlhecks. Nach dem Zweiten Weltkrieg wuchs Dotzheims weiter: Neue Wohngebiete wie der Schelmengraben nach den Plänen von Professor May und das Sauerland wurden erschlossen, um der steigenden Nachfrage gerecht zu werden. Professor May war ein bedeutender Stadtplaner, der sich maßgeblich an der Entwicklung von Wiesbaden beteiligte. 

Gleichzeitig blieb das historische Erbe bewahrt – etwa durch das Schloss Freudenberg und die Nassauische Touristikbahn, die die Geschichte Dotzheims lebendig halten.

Dotzheimer "Fibula" aus dem 7. Jahrhundert: Die Bronzeblech-Gewandnadel aus Dotzheim ist ein bedeutender Fund der frühen Frankenzeit und befindet sich heute im Britischen Museum in London.