1956年8月，上海根据中央关於防止帝国主义突然袭击的指示，提出建造地下铁道。23日，上海市政建设交通办公室根据战备要求编制提交《上海市地下铁道初步规划（草案）》，同时成立上海市地下铁道筹建处。苏联城市规划专家穆欣与上海市政府负责市政交通的李干成秘密讨论了地下铁道规划，用铅笔画出了横贯东西和纵穿南北的两条地铁线，横贯东西的即为2号线。
1995年12月，中山公园站至龙阳路站开工建设；1999年9月20日建成试运营；2000年6月11日正式通车开始运营，初始总长为16.3公里。
2000年12月27日，东延伸段（龙阳路站-张江高科站）开通运营，线路总长增加至19.1公里。
2005年10月22日，原东方路站封闭以配合6号线和9号线的建设，并於2006年10月28日更名为世纪大道站重新开放。
2005年12月7日，西延伸的闵行区北翟路车厂建设工地发生大面积渗水事故。
2006年6月26日，西延伸段地铁列车试运行，系统调试正式开始。
2006年12月30日，西延伸段（中山公园站-淞虹路站）共四站开通营业，线路总长增加至25.2公里。
2006年12月30日，东延伸段（龙阳路站-浦东国际机场站）正式开工建设。
2010年2月14日，为配合东延伸段（张江高科站-广兰路站）建成试运营以及新老张江高科站的线路割接，张江高科至龙阳路站暂停运营10天；24日，东延伸段建成试运营。新张江高科站及龙阳路经新张江高科站至广兰路段启用；原张江高科高架车站及区间停用，截至2014年，原高架站体仍存在并作为上海轨道交通实训中心使用。
2010年3月16日，西西延伸段（徐泾东站-淞虹路站）开通运营，其中虹桥火车站站为过站不停靠。
2010年4月8日，东延伸段（广兰路站-浦东国际机场站）开通运营，采用非高峰运营模式。7月10日，东延伸覆盖早晚高峰。（需要在广兰路站下车转乘对面月台的列车）
2010年7月1日，西延伸遗留站虹桥火车站站开通运营。
2012年6月4日起，2/4/6/9四线转乘枢纽站世纪大道站实施新的转乘方案，部分时段内部分线路间的转乘需绕行以应对大客流。
2015年3月10日，2号线发生重大故障并停运数小时， 乘客从隧道内部徒步撤离。
