L’histoire de Metlaoui remonte à la préhistoire. À l’ouest de la ville, dans la région agricole de Sakdoud, on trouve des vestiges préhistoriques, dont d’innombrables monuments mégalithiques tels que Bir El Hamara, Bir El Hamairia et Gourbata. Ces monuments se distinguent également par la présence de traces du peuple capsien. Des vestiges puniques subsistent sous la forme de forts construits pour des raisons de sécurité au sommet des montagnes. Dans les monts Thalaja, on trouve des ruines romaines, notamment dans la région de Mkhifia, ainsi que le limes et les remparts romains qui s’étendent de la région de Chebika au sud de Metlaoui. Le Moyen Âge a vu l’arrivée des Arabes : les Hamama, notamment dans la plaine de Sidi Bouzid, et les Ouled Bouihi, à leur emplacement actuel dans la région de Metlaoui.

À leur arrivée dans ces régions, les Français découvrirent une population pratiquant l’agriculture et l’élevage. La ville connut un fort développement sous la protection française, avec la découverte de phosphate en 1885, à quelques kilomètres de là, au pied du mont Thalja, par Philippe Thomas. L’exploitation industrielle débuta en 1896 avec la concession accordée à la Société des Phosphates et des Chemins de Fer (SCP) et la construction d’une ligne ferroviaire de 250 km entre Sfax et Metlaoui pour transporter le minerai jusqu’au port, où il était exporté ou transformé localement. À ce jour, le phosphate est extrait de huit centres miniers, Metlaoui étant le principal. De plus, la plupart des installations de la SCP sont situées à Metlaoui, avec des entités de production, de maintenance, de recherche, d’approvisionnement et autres directement liées à l’activité de production.