受五大湖的影响，底特律气候为典型的美国中西部温带气候。冬季寒冷，伴有适度降雪；夏季温暖。7月平均最高和最低气温分别为29℃和18℃，1月平均最高和最低气温分别为1℃和-6℃。夏季温度通常超过32℃，冬季比较寒冷但很少低于-17℃。有记录以来的最高气温出现在1988年6月25日，为39℃；而最低气温出现在1994年1月19日，为-27℃。

法国人路易·亨内平乘船沿底特律河航行时发现，河的北岸有一块理想的定居之地。1701年，法国军官安托万·德拉莫特·卡迪亚克以路易十四的海军大臣蓬查特兰伯爵为名，在此建立了底特律河畔蓬查特兰堡（Fort Pontchartrain du Détroit），作为皮毛交易中心，同时也为往来于五大湖的法国军舰提供保护。

1760年，在法英战争期间，英国军队控制了该地区并将地名简化为底特律。当地土著部落大多与法国殖民者关系良好，英军的到来使他们生存受到威胁。

1763年，由渥太华首领庞蒂亚克酋长率领的几个部落，发动了被称之为庞蒂亚克起义的战斗，但最终被英军击败。1796年，根据《杰伊条约》，底特律加入美利坚合众国。1805年，一场大火几乎烧毁了底特律所有的房屋与建筑，仅留下一座仓库和一个砖制烟囱。这两处法国统治时期遗留的建筑如今在底特律的市旗上仍然可以看到。

从1805年至1847年，底特律一直是密歇根州首府。随着城市的发展，密歇根领地的首席法官奥古斯塔斯·B·伍德沃德为底特律制定了城市规划图。在1812年战争（第二次美英战争）期间，底特律在底特律围攻战中落入英军控制，但随后又于1813年被美军重新夺回并于1815年正式建市。由于底特律靠近美加边境，因此在美国内战前，这里成为地下铁路沿线的重要驿站。