O legendă păstrată în memoria Dornelor, care atestă existenţa Dornei încă de pe vremea întemeierii statului Moldovei, leagă numele localitaţii de o dragoste tragică a întemeietorului Moldovei – Dragos Voda. Acesta s-ar fi îndrăgostit de păstoriţa localnică Dorina, pe care a ucis-o dintr-o greşeală şi în amintirea ei, a decis ca apa lânga care s-a petrecut drama să poarte numele ei.
O explicaţie stiinţifică a toponimicului "Dorna" este greu de oferit. Dictionarul Limbii române editat de Academia RPR în 1958, explică noţiunea "dorna" prin bulboană sau vale cu apă. Slavii au numit aşezarea mlăştinoasă "Dolina", romanii au numit-o "Durnacum" iar la români a ajuns Dorina, care prin eliminarea vocalei "i" şi prin rotacismul specific limbii române, a devenit Dorna.
Din izvoare istorice mai reţinem că la 14 Mai 1600, Mihai Viteazu a trimis spre Moldova armata condusă de generalul său Baba Novac. Acesta a urmat drumul prin Cândreni, peste Mestecăniş, spre Câmpulung şi apoi spre Suceava, în urmărirea domnului Moldovei Ieremia Movilă.Dupa anul 1775, Dorna intră sub stapânire austriacă şi locuitorii au devenit iobagi ai domeniului împărătesc Câmpulung. Faptul a generat conflicte care au durat aproape un secol. Locuitorilor li s-au luat drepturile la cârciumărit, pescuit, morărit, li s-au pus taxe pe fâneţe şi păduri şi au fost obligaţi să presteze munci neplătite la diferite lucrări edilitare iniţiate de coroană. De asemenea, ei trebuiau sa dea autorităţii biruri în natură (găini, lână şi lemne). Pe teritoriul târgului Dornei s-au desfaşurat numeroase conflicte sângeroase care au sfârşit prin însemnate pierderi de vieţi omeneşti.
În 1884, o sentinţă a autorităţilor austriece pedepsea formal pe unul dintre opresorii locali cu o "dojană severă". Locuitorii Dornelor au încercat să pună capăt opresiunilor şi nemulţumirilor prin plângeri repetate la împărat şi la autorităţile locale dar ele n-au putut fi soluţionate până în jurul anului 1850, când a fost abrogată vechea constituţie austriacă şi a început perioada de 11 ani a absolutismului monarhic.
Evoluţia edilitară şi urbanistică a localitatii Dorna a fost puternic marcată de descoperirea uriaşelor rezerve de ape minerale răspândite pe o suprafaţă de mai multe zeci de kilometri pătraţi şi cunoscute de ciobanii locului încă pe la anul 1750, care le-au botezat izvoare cu "burcut" – nume împrumutat probabil din maghiarul "borviz". O cercetare ştiinţifică a apelor minerale din ţinutul Dornelor este cunoscută în literatura de specialitate în jurul anilor 1790. Chimistul Hacquette de Nürnberg a realizat în această perioadă o analiză relativ completă a apelor din Dorna şi din localităţile limitrofe Cândreni şi Şar. Recunoaşterea oficială a importanţei izvoarelor minerale şi o analiză completă a lor, se datorează studiilor din anul 1805 ale doctorului Ignatziu Plusch. Acesta s-a ocupat mai întâi de apele minerale din Poiana Negri pentru ca apoi, sub numarul 1841 din anul 1810, să înainteze autoritaţilor de la Viena primele semnale despre starea dezastruoasă a băilor din Vatra Dornei şi a izvorului din Poiana Negri, cu o propunere de relativă sistematizare a lor.
Din scrierile şi rapoartele doctorului Plusch aflăm că în forma lor primară, băile se făceau cu apă scoasă de bolnavi din fântâna Izvorului Ioan, situată la numai 200 de paşi de drumul împarătesc. Prepararea băilor se făcea la domiciliul bolnavilor. Din acest motiv doctorul Plusch propune amenajarea staţiunii pe proprietatea particulară a numitului Cratzer, cu ajutorul tehnic şi material al proprietarului minelor din Iacobeni Manz de Mariense. Proiectul de amenajare al băilor propus de doctorul Plusch, a fost aprobat prin Decretul administraţiei din 17 ianuarie 1811 iar inginerul Buholzer a primit ordinul să construiască o clădire cu şase căzi de baie la care apa minerală era adusă printr-o ţeavă şi continua să curgă prin jgheaburi.
În anul 1870 Fondul Bisericesc Român a cumparat Băile Vatra Dornei, cunoscute sub numele de Institutul Balnear, împreună cu dreptul de proprietate asupra apelor minerale. Pentru bolnavi s-a zidit un imobil cu 20 de cabine, pe locul unde ulterior s-a construit Hotelul numărul unu şi Cazinoul. O descriere a staţiunii în jurul anilor 1880-1895 o aflăm din însemnările inginerului Crasuschi, fost director al minelor din Iacobeni. Izvoarele erau captate în mod primitiv. Acestea prezentau niste găuri pătrate împrejmuite cu bârne şi acoperite cu coajă de brad, fără nici o izolare. Aceste gropi erau umplute cu apă cu rugină murdară, în care cântau broaştele. Din aceste izvoare curgea apa prin nişte jgheaburi, în butoaie deschise asezate pe bârne. Din aceste butoaie apa curgea prin ţevi de metal spre locul unde era încalzită şi de acolo la căzi. În total pe teritoriul localităţii Vatra Dornei au fost puse în valoare 15 izvoare de ape minerale.
O etapă nouă în dezvoltarea staţiunii balneare s-a înregistrat în anul 1895. La această dată geologul Stur a întreprins un studiu geologic al staţiunii Vatra Dornei şi al terenului pe care era amplasată. În baza acestui studiu s-a proiectat şi dezvoltat staţiunea după 1895.În anul 1899, principalele obiective ale staţiunii balneoclimaterice Vatra Dornei au fost terminate şi inaugurate. Între acestea s-a numărat Izvorul Ioan botezat în timp Izvorul Unirea,Izvorul Ferdinand şi Izvorul Sentinela aflate în vecinătatea Cazinoului. Descoperit în anul 1871, actualul Izvor Sentinela a fost amenajat de fostul director al minelor din Iacobeni în anul 1897. Iniţial, el a purtat numele fostului ministru al agriculturii al Imperiului Habsburgic numindu-se Izvorul Falkenhein, dar românii din Dorna constituiţi între 1898-1901 în Societatea culturală patriotică Sentinela hotărăsc să acorde numele instituţiei lor acestui izvor renumit. După 1948 izvorul s-a numit 23 August şi a revenit la vechiul sau nume Sentinela după evenimentele din decembrie 1989.
Printre edificiile devenite monumente arhitectonice ale localitaţii se numară şi stabilimentul balnear construit în anul 1895, în care se executau proceduri cu ape carbogazoase şi nămol de Dorna. Localitatea Vatra Dornei s-a dezvoltat începând din secolul XVIII în jurul staţiunii balneare şi concomitent cu aceasta. Pâna în anul 1774 Dorna a fost dependentă de Ocolul Câmpulung şi din această cauză nu avea nici sigiliu, nici vornic. Dreptul de a avea sigiliu şi vornic sau primar a fost dobândit abia în anul 1823, dar localitatea a continuat să existe sub suzeranitatea vornicului de Câmpulung pâna în 1853.În anii de după 1853 surse scrise ale istoriei locale pomenesc despre răscoalele dornenilor împotriva recrutării cu sila, despre construcţia în 1830 a Podului armeanului care traversa râul Bistrita în zona Chilia şi despre nenumărate persecuţii la care au fost supuşi locuitorii ţinutului Dornei de către stăpânirea habsburgică.
În anul 1848, în timpul primăriatului lui George Burca s-a construit în locul actualului pod de la piaţă, un pod care s-a numit "al vicilicilor" (participanţi dorneni la evenimentele revoluţionare de la sfârşitul secolului 18). Un an mai târziu, în 1849, Bucovina a fost dezlipită de Galiţia şi ridicată la rangul de ducat. Această acţiune a permis ridicarea satului Dorna la rangul de târg în 1855 şi înscrierea sa în actele oficiale ale stapânirii habsburgice sub numele "Vatra Dornei". La 9 septembrie al aceluiaşi an s-a înfiinţat la Vatra Dornei Oficiul Mixt de Judeţ Dorna similar cu instituţia prefecturii. În anii următori istoria locului pomeneşte tot mai des despre nemulţumirile dornenilor, despre înfăţisările lor cu plângeri la împăratul Franz Joseph, despre implicarea unor mari personalităţi ale vremii ca de pildă Eudoxiu Hurmuzachi în lupta lor pentru emancipare socială şi administrativă. După anul 1872, când a fost desfiinţat Domeniul Imperial Câmpulung şi se crease, cu patru ani în urma, Prefectura Câmpulungului, a început dezvoltarea administrativă a localităţii în strânsă legatură cu dezvoltarea staţiunii balneare.
Între 1850 şi 1875 la Dorna s-au perindat mai multi vornici si primari. "În anul 1875 – scrie ziarul Deşteptarea din Cernăuţi – Vatra Dornei nu mai era un sat ci târg şi noul comitet comunal de acolo era în mare încurcătură fiindcă nu avea nici un om potrivit de primar. În ziua alegerii primarului, căpitanul vine la Vatra Dornei, cheamă noul comitet ales şi îi spune că ar fi bine sa aleagă primar un om cu carte, pentru că Vatra Dornei îi acum târg şi un om fără carte n-ar putea cârmui o comună ca aceasta. Toţi cărturarii din noul comitet au spus la vorba capitanului "Amin", numai Vasile Deac a zis fara sfiala "Nu" deşi el a fost şi este om fără carte. Întrebându-l capitanul pe Deac cine socoate că ar fi bun de primar, Deac a raspuns: "Eu socot că aş fi cel mai bun!" şi ştiţi ce s-a întâmplat? Toţi cărturarii din comună au strigat "Da! Dacă Deac se primeşte să fie primar, apoi el îi cel mai bun!". Instalarea lui Vasile Deac în funcţia de primar al oraşului, a coincis cu perioada când se studia de către oamenii de ştiinţă ai vremii şi de către administraţia Bucovinei şi a Câmpulungului dezvoltarea staţiunii balneare Vatra Dornei.
În deceniul următor instalării lui Deac, Fondul Bisericesc din Cernăuţi devine proprietarul izvoarelor de ape minerale şi al aşa-zisului institut balnear. În această conjunctură se punea tot mai acut problema dezvoltării băilor la nivelul edilitar al staţiunilor cunoscute deja în Europa. Ajutat de arhitecţi şi oameni de ştiinţă, proprietarul băilor a întocmit un proiect pentru construirea unor edificii de tratament, cazare şi petrecere a timpului liber, pe care dorea să-l materializeze în afara dezvoltării urbanistice a localitaţii. Proiectul Fondului Bisericesc a fost supus în anul 1883 aprobării împăratului Franz Joseph şi prin aprobarea acestuia, proiectul a căpătat posibilitatea intrării în execuţie.
Primarului Vasile Deac nu i-a convenit modul de a gândi al autorităţilor Fondului Bisericesc şi, consultându-se cu arhitecţi şi oameni de ştiinţă recunoscuţi în epocă, a ajuns la concluzia că singura posibilitate de a forţa dezvoltarea târgului concomitent cu staţiunea balneară, era solicitarea unei audienţe la împăratul Franz Joseph. A obţinut audienţa la împărat în anul 1886 şi odată cu aceasta aprobarea pentru dezvoltarea urbanistică a localitaţii Vatra Dornei, pe teritoriul central al căreia urmau să fie instalate Palatul Comunal, Palatul Naţional, clădirea şcolii primare, Gara mare şi Gara Băi, Biserica catolică şi Templul evreiesc. Pentru început şi având rezervată suma de 60.000 de coroane pentru construirea Palatului Comunal şi 30.000 de coroane pentru zidirea unei şcoli româneşti de trei clase, el a trecut la execuţia proiectelor. Lucrările construcţiilor aprobate de împărat au fost conduse de un meşter italian care s-a instalat în Vatra Dornei pe cheltuiala primariei şi în anul 1895 s-au început lucrările de construcţie a Palatului Comunal care s-au desfaşurat în acelaşi timp cu lucrările de construcţie ale şcolii generale. În însemnările unor cărturari ai vremii ni se confirmă că în localul Palatului Comunal funcţiona şi un han, în locul hanurilor care au dispărut pâna la finele deceniului al 8-lea şi un restaurant, care a dăinuit până la 1938. În toamna anului 1897 a fost dată în folosinţă şi clădirea Şcolii generale (astăzi Şcoala nr. 1).
Înainte de a se încheia lucrările de construcţii ale Palatului Comunal, Vasile Deac a început lucrările de construcţie a Palatului Naţional, care urma să adăpostească sediul Societăţii culturale şi al cabinetului de citire "Sentinela". "Sentinela" a fost prima asociaţie patriotică a românilor din Vatra Dornei şi a acţionat consecvent pentru izbândirea idealurilor naţionale. În timpul mandatului lui Vasile Deac s-au construit de asemenea, în anul 1902, Gara CFR cunoscută sub numele de Gara Mare care a legat pentru prima dată Suceava de Vatra Dornei şi a început construcţia Gării Vatra Dornei Băi, care a fost dată în folosinţa după decesul vrednicului primar. Tot în timpul mandatului lui Vasile Deac au fost concepute şi - partial demarate - lucrările Templului evreiesc şi a Bisericii catolice. Aceasta a fost lovită de doua obuze în timpul primului război mondial, care sunt vizibile şi astăzi în peretele estic.
Vatra Dornei a fost declarat oraş al imperiului austro-ungar la 17 decembrie 1907. Primul război mondial a adus luptele pe creasta munţilor din jurul orasului Vatra Dornei transformându-l pe acesta şi staţiunea într-o fortăreaţă armată a austro-ungarilor. Staţionarea trupelor la Vatra Dornei a durat aproape doi ani, timp în care au fost distruse şi oraşul şi staţiunea, dar după unirea Bucovinei cu Regatul României s-a pus problema refacerii şi administrării băilor. În anul 1919 s-a format un consorţiu care a luat în arendă stabilimentele balneare pe termen de un an. Acţiunea s-a repetat în 1920, 1921 şi 1922 dar condiţiile de arendare erau nefavorabile administratorului (Fondului Bisericesc) pentru că ofereau arendaşilor venituri uriaşe în timp ce câstigul proprietarului era derizoriu.
Ulterior, s-a stabilit printr-o liciţatie trecerea în administrarea aceluiaşi consorţiu a băilor pe termen de 20 de ani, dar câstigatorul licitatiei nu şi-a îndeplinit obligaţiile ci, dimpotrivă, a iniţiat câteva acţiuni pentru repudierea drepturilor Fondului Bisericesc. Litigiul a fost terminat prin intervenţia ministrului agriculturii de atunci – prof. dr. Iancu Nistor - care a determinat Statul Român să permită Fondului Bisericesc exploatarea băilor în regie, oferindu-i trei milioane de lei avans pentru reabilitarea stabilimentelor şi restaurarea daunelor aduse în timpul războiului.
Primarul Petru Forfotă îi prezenta voievodului Mihai, devenit Regele Mihai I, stabilimentele staţiunii balneare în urmatorii termeni: "Publicul ce a vizitat această staţiune în anii de după război a putut fi pe deplin satisfăcut în aşteptările sale de ceea ce i se oferea. Bineînteles că au existat şi lipsuri în dezvoltarea staţiunii. Lipseşte canalizarea, apeductul, asfaltarea sau pavarea străzilor oraşului etc. Aceste lucrări nu au putut fi executate până acum, din cauză că au lipsit fondurile necesare. Trebuie ştiut că administraţia comunală a acestui oraş luptă cu mari greutaţi financiare din cauză că veniturile curente nu curg în visteria comunală, dupa cum aproape toţi vizitatorii care vin la Vatra Dornei cred. Veniturile directe aduse de staţiune aparţin Fondului Bisericesc care a fost şi înainte de război şi este şi astăzi proprietarul stabilimentului de băi. Ori, Fondul Bisericesc nu a contribuit niciodată cu venituri realizate din stabilimentele balneare, cu nimic la lucrarile edilitare ale oraşului. În acelaşi timp nici taxele de cură încasate de către forţele comisiei balneare nu intră în visteria administraţiei comunale ci sunt folosite în alte scopuri. Administraţia comunală a fost şi este şi azi obligată să acopere nevoile edilitare ale oraşului şi staţiunii balneare Vatra Dornei numai prin mijloace proprii. Cu toate greutăţile acestea nedrepte şi ingrate, administraţia comunală pe care am cinstea să o conduc este în prezent pe punctul culminant al sforţărilor sale de a înfiinţa apeductul şi canalizarea… Îmi fac o prea placută datorie să arat că numai graţie înţelegerii pe care am găsit-o la membrii guvernului în frunte cu primul ministru şi ministrul de interne Gheorghe Tătăraşcu şi ministrul agriculturii prof. dr. Iancu Nistor, am primit cel mai larg concurs ca în următorii trei ani apeductul şi canalizarea să fie realizate."
În acest fel oraşul Vatra Dornei şi staţiunea balneară intrau în perioada lor de emancipare edilitară modernă.În timpul celui de-al doilea război şi în special în a doua sa parte – anii 1943-1944 – staţiunea balneară Vatra Dornei a suferit nenumărate distrugeri. Orânduirea instalată dupa 1945 a preluat băile prin actul naţionalizării de la 11 iunie 1948 şi a început o vastă campanie de refacere şi modernizare a tuturor obiectivelor care constituiau averea staţiunii. Imediat după 1950 staţiunea balneară Vatra Dornei a intrat în exploatare la întreaga capacitate şi până în 1989 a continuat să se dezvolte în toate planurile: medical, de agrement, de odihnă etc. În anul 2000, orașul este ridicat la rangul de municipiu.