Lange Zeit fristete die Gemeinde am Fusse des Hardwaldes ein eher verschlafenes Dasein. Die Gründung Dietlikons lässt sich aus dem Namen ableiten: Siedlungen mit Endungen auf "-ikon" sind alemannischen Ursprungs. Den Sippenführer Dietilo, vielleicht hiess er auch Dietelo oder Dieto ("Sohn des Volkes"), mag ein Wasservorkommen bewogen haben, sich in der Gegend des heutigen alten Dorfteils niederzulassen.

1124 erscheint der Name erstmals als "Dietlinchoven". Auf die Pioniere wartete harte Arbeit. Flurnamen wie Rüti, Rütenen, Brand, Blüttler und Stockwiesen lassen ahnen, wie dem Wald Raum für Wiesen und Acker abgetrotzt wurde. Schon früh wurde auch etwas Rebbau betrieben und der eher herbe Tropfen zusammen mit Getreide zur Zehntenablieferung verwendet. In Dietlikon war neben andern das Kloster Allerheiligen zu Schaffhausen begütert, die Kirchensteuer ging ans Kloster Wettingen. In der lokalen Geschichtsschreibung ist übrigens auch Graf Adalbert von Mörsburg (um 1100), die Grafen von Kyburg und im Zusammenhang mit der Burg und Vogtei Dübelstein, der zürcherische Bürgermeister Hans Waldmann erwähnt

Die Hoheitsrechte gingen 1264 von den Kyburgern an die Habsburger über und kamen 1424 bzw. 1452 an Zürich. 1124 waren die Vogteirechte in Dietlikon im Besitz des Schaffhausers Klosters Allerheiligen; 1487 verkaufte die Familie Schwend das Niedergericht über Dietlikon und Rieden (ZH) an Hans Waldmann, der es mit demjenigen über Dübendorf zu einer Gerichtsherrschaft verband. 1489 bildete Zürich daraus eine Obervogtei, die 1615 mit der Obervogtei Schwamendingen vereinigt wurde. Kirchlich gehörte Dietlikon im Hochmittelalter zur Pfarrei Kloten; um 1370 bestanden in Dietlikon und Rieden Filialkapellen (Predigten in Dietlikon seit 1596, Pfarrhausbau 1681). Um 1525 schloss sich Dietlikon der Reformation an.

Ab 1683 bildete Dietlikon mit Rieden eine selbstständige Pfarrei (Bau einer neuen Kirche 1698), deren Kollatur das Chorherrenstift Grossmünster bis 1831 besass. 1916 wurde Rieden in die reformierte Kirchgemeinde Wallisellen umgeteilt, 1970 die katholische Kirche St. Michael erbaut. Die Offnung datiert von 1420, der Einzugsbrief von 1586. In der Helvetik wurden die Dorfschaften Dietlikon und Rieden 1798 eine politische Gemeinde, von der sich Rieden 1831 abspaltete. Dietlikon wurde 1798 dem Distrikt Bassersdorf, 1803 dem Bezirk Bülach, 1814 dem Oberamt Embrach und 1831 dem Bezirk Bülach zugeteilt.

Im frühen 18. Jahrhundert erweiterte sich das traditionelle Berufsspektrum durch verschiedene Tätigkeiten in der Textilindustrie. Im 19. Jahrhundert war eine Bleicherei der einzige Industriebetrieb neben der Riedmühle (1269 erwähnt). An der 1855 eröffneten Nordostbahn-Strecke Oerlikon-Winterthur erhielt Dietlikon erst 1865 einen Bahnhof, der 1990 zum Knotenpunkt (Zürcher S-Bahn) wurde. In der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts setzte dank guter Pendlermöglichkeiten ein allmähliches Wachstum ein, das sich ab 1950 verstärkte. In den 1960er Jahren wurde Dietlikon in die Agglomeration Zürich-Nord einbezogen und entwickelte sich durch die Erschliessung einer Industrie- und Einkaufszone zwischen der 1841 gebauten Winterthurerstrasse und der A1 (1974) zur Arbeitsplatzgemeinde. 1995 bestanden 331 Firmen mit 4798 Arbeitsplätzen.