A Cadillacet 1902-ben Henry Leland mérnök és vállalkozó alapította. A márkát az egyik őse Antoine Laumet de La Mothe Cadillac után nevezte el, aki Detroit városának alapítója volt. A Cadillac család történelmi címerét vette alapul, amikor az autómárkának logót választott. Hat éven belül a Cadillac megteremtette a feltételeit, hogy a modern tömeggyártás beinduljon. Ez eredményezte, hogy az első amerikai autógyárként sikerült elnyernie a Dewar Trophyt, az angol Királyi Automobil Szövetségtől, és adoptálta a "Standard of the World" azaz a "Világ szabványa" szlogent 1909-ben a General Motors megvette a gyárat.

A Cadillac Model Thirty volt az első autó, amelynek beindításához nem volt szükség kurblira, ugyanis elektromos gyújtású motorja volt, ami a jármű lámpáit is működtette. Ez különösen vonzóvá tette a modellt a női vezetők körében. A Cadillacnek ebben az évtizedben másodszor is sikerült elhódítani a Dewar Trophyt, így ők voltak az első autógyár akiknek, kétszer sikerült elnyerniük ezt a címet. 1915-ben a gyár bemutatta az első tömeggyártású nyolc hengeres, vízhűtéses motorral felszerelt Cadillac Type 51-et, amely később a védjegyévé vált. Ez a típus volt az első ahová bal oldalra szerelték a kormányt, és későbbi modellek már bal oldali kormánnyal felszerelt típusok voltak. 

Az 1920-as években a járművek megjelenéseiben és formáiban jelentős változások történtek. 1924-ben a Cadillac kezdte először alkalmazni a lakkozott festéket a járműveiken. A vásárlóik több mint 500 színkombináció közül választhatták ki az autójuk színét, míg a legtöbb vetélytársuk csak a fekete árnyalataiban gyártotta autóikat. 1926-ban a vállalathoz szerződtették Harley Earlt, aki 1927-ben megtervezte a LaSallet. A LaSalle volt az első amerikai autó, amit nem egy mérnök, hanem egy stylist tervezett. Az eredmény egy elegáns, áramvonalas krómozott kiegészítőkkel felszerelt jármű lett, amely nagy hatással volt a gyár vezetőinek szemléletére. Ezt a filozófiát alkalmazták a későbbi modelljeikben is, és az évtized végére a Cadillac egyet jelentett a szépséggel és a luxussal.

A gazdasági válság körül a Cadillac 16 hengeres motorokkal felszerelt személygépkocsikat is gyártott. Ezek a Cadillacek a gyár ikonjai váltak. Az akkori idők emberei szerint ezek a kocsik "Annyira füstösek és csendesek voltak, hogy nehéz volt elhinni, hogy ezeket a kocsikat is benzin hajtja" A 16 hengeres motorokat egy 12 hengeres motor váltotta, amely átmenet volt a nyolc és 16 hengeres motorok között. 1937-ben építettek egy új nyolchengeres motort, mellyel megnyerték az Indianapolisi autóversenyt, és ennek a sikernek köszönhetően megdöntöttek minden korábbi autó eladási rekordot. 1938-ban a Cadillac vezette be először a napfénytetőt, amivel forradalmasította az autógyártást.

Nem sokkal a Pearl Harbor-i csata után a gyárban leállították az autógyártást. Tudásukat és forrásaikat a háborús igények kielégítésének szentelték. A nyolc hengeres motorjaikat, váltóikat sikeresen alkalmazták az M-5-ös könnyű harckocsikban és az M-8-as önjáró lövegekben. Ennek hatására új szlogent vett fel a gyár "Famous in Peace - Distinguished in Battle" azaz "Híresek békeidőben - Kiválóak a csatában" A háború után Harley Earl tervező még egyszer forradalmasította az amerikai autógyártást. Bevezette a kocsikon a hátsó szárnyak alkalmazását Ez a stílus határozta meg az elkövetkező 20 év amerikai autóinak formáját. Az ötletet a P-38 Lightning repülőgépek villás hátsófarkai adták. 1949-ben elnyerték a legelső Az Év Autója Díjat, mellyel újra megerősítették a hírnevüket az autógyártásban.

A második világháború után egyre több autóra volt szükség, és a Cadillac gyár 1950 és 1951 között több mint 100 000 autót gyártott, ami közel a duplája volt, mint amit a háború előtti években készített. A Cadillacnek újabb dicsőséget sikerült elérnie azáltal, hogy a Le Mans-i 24 órás autóversenyen a harmadik, a tizedik és tizenegyedik pozícióban Cadillac kocsik futottak be. Az évtized végére a Cadillac lett az első olyan autógyár, amelyik rendszeresítette a szervokormányt az összes általa gyártott autóban. A vállalat folytatta a biztonsági elemek beépítését a kocsikba, köztük az automatikus fényváltó kapcsolót. A Cadillac Eldorado farka lett a leghosszabb, a valaha épített személygépkocsik között. Az évtized végére a Cadillac az ötvenes évek egyik szimbóluma lett.

A Cadillac tovább folytatta a korábban megkezdett technológiai és stílusirányzatát. Az 1960-as években megjelentek az első önszabályozó fékek a járművekben. Az Eldorado típust megújították és ez olyan jól sikerült, hogy az 1963-as Cadillac Eldorado lett minden idők legismertebb Cadillecje. 1964-ben a gyár termosztatikus fűtés, hűtés és légkondícionálót épített az autóiba. A következő években az olyan újítássok, mint az automata működésű lámpák, az első üléseken lévő biztonsági övek, a változtatható erősségű szervokormányok, az elektromos ülésmelegítők és a sztereo rádiók gyors sikereket hoztak a cégnek. 1965-ben az amerikai-éra véget ért, a hosszú hátsó farkak kimentek a divatból és felhagytak az ilyen típusok gyártásával.

A Cadillac az 1970-es évekre az Eldorado típust megint megújította. Áttervezték a tengelyeket és az új modellben volt a legnagyobb forgatónyomaték, a személygépkocsik között. 1974-ben bevezették a légzsák elődjét és a katalizátoros átalakítót, a káros anyagkibocsátások csökkentésére. 1975-ben a Cadillac volt az első amerikai autó, amelyik bevezette az elektromos injektoros benzinbefecskendezőt. 1978-ban a Seville piacra lépésével, megjelentek az első komputerizált autók, amelyeknek már digitális kijelzője volt.

A Cadillac a nyolcvanas évek dinamizmusához alkalmazkodva megjelentette a Seville Elegantet, melynek hátsó része már nagyon eltért az 1960-as évek autóitól. A kocsi hátulja az 1930-as és 1940-es évek kocsiformáinak modern változatára emlékeztetett. Az újítások terén a Cadillac volt az első autógyár, amelyik alkalmazott integrált mikroprocesszorokat a jármű irányítóberendezésében, benzinbefecskendezésében és a jármű diagnosztikában. A cég szintén úttörő volt a szervizszolgáltatások terén. Egységesítette az olyan folyamatokat, mint amilyenek az új modellek bemutatói, a járművek kiszállítása a vevőkhöz, vagy az új autók kipróbálásának lehetősége. Ezek a változtatások meghozták a várt eredményt, és a Cadillac az első helyen végzett a vásárlók elégedettségi szintjét mérő felmérésen..

A Cadillac elsőként mutatta be Amerikában az elektronikus kipörgés gátló rendszert, melyet az 1990-es Cadillac Allanteben rendszeresített először. Ugyanebben az évben megnyerte a Malcolm Baldridge Nemzeti Minőség Díjat. 1992-ben a 32 szelepes Northstar 8 hengeres motor lehetővé tette, hogy a jármű vészüzem módban még, 50 mérföldet megtegyen hűtés nélkül. A motorhoz kapcsolódott egy töltési rendszer, amely közel tökéletes benzinadagolást tett lehetővé. 1992-ben a Cadillac Seville Touring Sedan lett az év autója, köszönhetően az olyan alkalmazásoknak, mint a kipörgés gátló rendszer, a blokkolásgátló fékrendszer, a sebességre érzékeny felfüggesztés vagy az elektronikus erőátvitelnek köszönhetően. Ez a modell újra világhírnevet hozott a cégnek, és több mint 40 országba exportálták ezt a modellt.

Ebben az évtizedben ünnepelte a 100-adik születésnapját a gyár. A gyár bebizonyította, hogy képes a XXI. századi formai követelményeinek megfelelni. Erre a díjnyertes Cien Concept modell a bizonyíték, melyet az F-22 Raptor formái ihlettek. A városi luxusterepjárók között a Cadillac Escalade igazi ikonná nőtte ki magát, míg a második generációs Cadillac CTS Sedannak sikerült elnyernie 2008-ban az Év Autója címet. A 2009-es CTS a Nürburgringen új világrekorddal a leggyorsabb nyolchengeres jármű lett. A Converj Concept modellel nyitott a gyár az elektromos hajtású autók irányába. A luxusautót egy forradalmian új elektromos Voltec motor hajtja. Amire a gyár különösen büszke, hogy Barack Obama elnöknek a Cadillac biztosítja az elnöki járművet