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.



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.

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.