В околицях міста були знайдені залишки поселення трипільської культури, яку дають підставу вважати, що територія сучасного міста була заселена ще в III тисячолітті до н. е.
Перша згадка про Дунаївці відноситься до 1403 року в реєстрі димів, як про село, що складалось з трьох частин і мало 72 дими. Спершу Дунаївці належало Великому князівству Литовському, а згодом Речі Посполитій. В 1577 році Дунаївці перейшли у власність Ельжбети Лянцкоронської з роду магнатів Гербуртів — дружини галицького каштеляна Станіслава Лянцкоронського (†1592).
Маєток Красінських в Дунаївцях. Сьогодення
За проханням Ельжбети Лянцкоронської у 1592 році король Сигізмунд III Ваза надав Дунаївцям статус міста, магдебурзьке право і назвав його Дунайгородом. 1597 року Лянцкоронська знову вийшла заміж і подарувала свої володіння королівському ротмістрові Міхалу Станіславському. Незабаром татари зруйнували місто, але в 1605 році Сигізмунд III Ваза підтвердив магдебурзьке право, дозволив заснувати цехи і проводити ще один, третій, ярмарок на рік в день Св. Станіслава, а базари в понеділок.
Під час повстання 1648 — 1654 років під керівництвом Богдана Хмельницького 27 червня 1649 року кримська орда під час руху до Збаража спустошила містечко, майже всі жителі Дунаївців загинули. Наприкінці 17 століття в (1672–1699) місто знаходилося на території Османської імперії, а згодом — Речі Посполитої. Після другого поділу Польщі в 1793 році місто відійшло до Російської імперії, а від 1797 року — воно перебувало в складі Подільської губернії.
Приблизно в ці роки в Дунаївцях були побудовані підземні ходи, датування яких — XVII—XVIII століття. Лише за Незалежності Володимиром Захар’євим було досліджено три їхніх географічних місць. Підземні ходи були виявлені в різних районах міста при будівельних роботах. Один з них поблизу колишнього капуцинського монастиря являє собою 30-метровий відрізок підземної галереї, що була викопана на глибині близько 3,5 метрів в материковій глині. Висота цього ходу — 1,25—1,27 м, ширина — 0,8—0,95 м. Склепіння галереї аркоподібне складене «в замок», а стіни обмуровані каменем мають товщину в пів метра. Підлога хода теж вимощена каменем. Достемене призначення ходів не відоме, але існує дві версії: ходи могли використовуватися як для відводу ґрунтових вод, так і для прихованого переміщення людей.
В другій половині 18 століття Дунаївці переходять із рук в руки різних польських власників. Близько 1782 року містечко перейшло до опіногурського старости Яна Красінського. Для розвитку ремесла і торгівлі він запросив колоністів з Німеччини, які були спеціалістами у виробництві сукна та іншої продукції. Перша фабрика з виробництва сукна вступила в дію у 1829 році. 1819 року Антоніна Анна Красінська (в дівоцтві Чацька, сестра Тадеуша, дружина Яна Красінського та бабуся Зигмунта Красінського) записала маєток в місті Дунаївці своєму онукові, якому було тоді 7 років. Згодом за невідомих обставин 1826 р. маєток був переписаний на батька Зигмунта Вінцентія Красінського, що в 1838 р. було підтверджено листом самого Зигмунта.
Пік промислового піднесення припадає на 70-ті роки XIX століття, коли в місті діяло 54 фабрики і велася торгівля з Києвом, Москвою, Варшавою, Кишиневом, Харковом, Полтавою, Херсоном, Лодзю, Ярмолинцями.
Від 1862 року Дунаївці — волосний центр Ушицького повіту.
Наприкінці XIX — на початку XX століття містечко продовжувало зростати, збільшилася чисельність його жителів, незважаючи на скорочення виробництва сукна та кількості підприємств. У 1891 році поміщик Василь Завойко придбав Дунаївці у Броніслава Скибневського, разом з Січенцями, Панасівкою, Заставлям, Мушкутинцями, Антонівкою та Вінцентівкою (загалом близько 2000 десятин землі).
На початку XX століття в Дунаївцях проживали близько 15 тисяч жителів, з яких дві третини складали євреї. Головним заняттям міщан було фабрично-заводське виробництво, зокрема суконні фабрики виробляли щорічно продукції майже на два мільйони рублів, крім того працювали механічні та шкіряний заводи, також процвітала торгівля хлібом, лісом, мануфактурними виробами. Дунаївці за кількістю населення й господарським розвитком значно переважали повітове місто Нову Ушицю.
В 1907 році була невдала спроба отримати статус міста. Цей епізод історії містечка добре досліджений й описаний відомим хмельницьким істориком та краєзнавцем Сергієм Єсюніним. Новий землевласник і володар Дунаївців В. Завойко чітко усвідомив, що містечковий статус гальмує розвиток, і від 1904 року за підтримки губернської адміністрації та особисто тодішнього подільського губернатора Ейлера почав впливати на громадську думку й готувати документи для зміни статусу Дунаївців із містечка на місто. Однак якщо селян вдалося переконати, то буквально за день до громадських зборів несподівано проти зміни статусу містечка повстала численна громада єврейського населення — власники крамниць і торгових лавок, розміщених на старій містечковій площі, що побоювалися, що з можливим будівництвом адміністративних установ, їхні торгові ряди перемістять на нове місце. Відтак, розпочалася тяганина клопотань проти зміни статусу, що тривала майже 3 роки, і писанина дійшла до Київського, Подільського і Волинського генерал-губернатора та Міністерства внутрішніх справ Російської імперії. Врешті-решт власник Василь Завойко відмовився від свого задуму — він змінив своє рішення про безплатну передачу Дунаївцям 200 десятин землі й сказав, що цю землю погодиться лише продавати її забудовникам. З огляду на подібну ситуацію, 7 травня 1907 року Міністерство внутрішніх справ поставило крапку в цій справі, направивши генерал-губернатору резолюцію про «неможливість подальшого руху справи у встановленому порядку».
У роки першої світової війни Дунаївці були прифронтовою зоною. Від початку грудня 1917 до січня 1918 року місто входило до складу Української Народної Республіки. Згодом влада у Дунаївцях змінювалась декілька разів, у тому числі українською вона була ще раз від 3 червня до грудня 1919 року.
Після поразки українських визвольних змагань (1917—21) в містечку встановилась влада більшовиків — 16 листопада 1920 року Дунаївці зайняли частини 45-ї дивізії під командуванням Йони Якіра.
Від 1923 року місто стало райцентром Кам’янецького округу.
Не обминув Дунаївці голодомор 1932 — 1933 років. Місто пережило роки червоного терору та сталінські репресії. З 1932 року місто належало до Вінницької області, а з 1937 року — до Кам’янець-Подільської області (з 1954 року — Хмельницька область).
11 липня 1941 року Дунаївці захопили німецькі війська. Було утворено Дунаєвецький ґебіт. Нацисти створили табір для військовополонених і гетто, куди зігнали єврейське населення міста та зі Смотрича, Шатави, Балина та інших населених пунктів. Було закатовано близько 12 тисяч осіб, а вивезено з району до Німеччини півтори тисячі жителів. Місто було звільнено від окупації 31 березня 1944 року.
З 1958 року Дунаївці — місто районного підпорядкування.
У повоєнний час у Дунаївцях було створено сучасну міську інфраструктуру, зведено низку соціальних та промислових об’єктів. Дунаївці набули також важливого військового значення, оскільки в них розташували Командно-вимірювальний комплекс (КВК), що разом з аналогічним КВК та Центром управління польотами (ЦУП) в м. Євпаторії складають Наземний комплекс управління (НКУ). Також у Дунаївцях розташовувалося до Незалежності України 2 полки, які також займалися обслуговуванням шахтних пускових установок, що знаходилися в кількакілометровому радіусі від шахтного командного пункту в Дунаївцях.
30 листопада 1999 року 19-та ракетна дивізія була розформована, оскільки до 1996 року з допомогою США ядерна зброя була ліквідована, а до 1998 року були знищені також і шахтні пускові установки.
Закрилася Дунаєвецька суконна фабрика, скоротилося виробництво ТОВ «Дунаєвецького арматурного заводу» — у приміщеннях цих підприємств нині розташовуються численні торговельні точки. Завдяки вдалому розташуванню на магістральній автодорозі Житомир — Чернівці в місті активно розвивається торгівля.
Постановою Кабінету Міністрів України № 878 від 26 липня 2001 року місто включено до списку історичних населених пунктів України.
1995 року Дунаївці увійшли до складу Асоціації міст Хмельниччини, а 1999 року — до складу Асоціації міст України.
2003 року Дунаївці відсвяткували 600-річчя.
У 2022 році в Дунаївцях запрацював український ЦУП. 13 січня 2022 року він встановив зв’язок з українським супутником Січ-2-30.
