Il nome del comune deriva dal latino Quarto ab urbe lapide. La città sorge infatti esattamente al quarto miglio della strada che collegava Cagliari a Porto Torres (attuale SS 131) e, fino a qualche anno fa (esattamente fino a quando venne costruito l'attuale mercato civico nell'attuale piazza G.B. Dessì), era ancora presente in città la pietra miliare di epoca romana denominata "sa perda mulla" dagli abitanti. Nel 1327 i villaggi di Quarto Domino (o Donnico), Quarto Josso e Cepola vennero fusi in un unico paese col nome di Quarto. Il 14 settembre del 1826, con regio decreto, al nome della città venne aggiunto quello della Santa Patrona divenendo così Quarto Sant'Elena. Nel 1862 il nome della città passò infine da Quarto a Quartu raggiungendo così l'attuale denominazione.
La presenza dell'uomo nel territorio di Quartu risale alla preistoria, sono infatti stati trovati numerosi reperti databili al periodo prenuragico e nuragico. Anche i Fenici probabilmente si installarono a Quartu dato che molti studiosi sono d'accordo sul ritenere i toponimi Cepola e Geremeas di derivazione fenicia. La presenza punica nel territorio quartese sarebbe provata anche dai ritrovamenti ceramici nella zona di Is Mortorius. I romani installarono, invece, il loro insediamento a poche centinaia di metri da Cepola, e ne insediarono gli schiavi abbastanza vicini a Cagliari per essere controllati e abbastanza lontani per non disturbare la vita cittadina. Questi schiavi vennero fatti lavorare nelle vaste campagne e negli stagni di Quartu e del Molentargius, da cui incominciarono l'estrazione del sale. Intorno a questi due centri nacquero tanti altri villaggi che diedero origine alle attuali città di Quartu Sant'Elena e Quartucciu.
Dopo la parentesi vandalica e la dominazione bizantina, intorno all'anno 1000 erano quattro i villaggi che sorgevano nei pressi dell'attuale città e questi erano: Quarto Domino (o Donnico), Quarto Josso, Cepola e Quarto Suso (o Quartutxo da cui poi prenderà il nome l'adiacente comune di Quartucciu), facenti parte del giudicato di Cagliari, nella curatoria del Campidano di Càlari. Nel 1070 il giudice Torchitorio I donò all'Arcivescovo di Cagliari i villaggi di Quarto Josso e di Cepola per assicurarsi anche la protezione della chiesa contro le invasioni dei corsari saraceni. A seguito della scomparsa manu militari del giudicato cagliaritano nel 1258, il territorio passò sotto l'amministrazione pisana; in questo periodo ci furono vari lavori urbanistici nei paesi di Cepola, Quarto Domino e Quarto Josso che resero questi tre paesi un unico centro. Nel 1324 Giacomo II d'Aragona, dopo una vittoriosa campagna militare guidata dall'Infante Alfonso contro la repubblica di Pisa, iniziò a prendere possesso del Regno di Sardegna e i vari villaggi entrarono quindi a far parte di questo. Con un regio decreto di Giacomo II d'Aragona del 1327 i villaggi di Cepola, Quarto Domino e Quarto Josso (ormai contigui da tempo) vennero fusi insieme e chiamati solamente Quarto. Nell'autunno del 1353 la villa di Quartu fu occupata dalle armate giudicali di Mariano IV di Arborea, poi sconfitte poco dopo dalle forze aragonesi in una battaglia campale svoltasi i primi di ottobre dello stesso anno. Nel 1426 Quarto venne trasformata in Baronia e venne concessa in Feudo da Alfonso il Magnanimo a Antonio de Sena, ma verso la fine del secolo rientrò a far parte del patrimonio regio Aragonese.
Tra il XVI e il XVII secolo la città fu bersaglio di frequenti e feroci attacchi dei corsari barbareschi che, insieme alle epidemie, alle carestie e alle invasione delle cavallette, contribuirono all'indebolimento dell'economia cittadina e a una riduzione drastica degli abitanti. Nel 1520 la città, una notte, fu invasa dai corsari che sbarcarono nei pressi del paese. Questi si avviarono verso la città per saccheggiarla ma i quartesi accortisi dell'avanzata nemica si armarono e attaccarono e sconfissero i nemici. Alcuni di questi riuscirono a tornare alle navi, altri invece furono catturati e tenuti prigionieri nella strada nota tuttora come via Mori. Per proteggere la zona dagli attacchi saraceni, dopo che nel 1582, un violentissimo attacco coinvolse tutti i paesi vicino a Cagliari, gli spagnoli fecero costruire delle torri di osservazione di cui cinque nel litorale quartese (Cala Regina, Is Mortorius, Sant'Andrea, Foxi e Carcangiolas). Nel 1652 anche Quarto fu colpita dall'epidemia di peste che decimo la già provata popolazione. Nel 1711 Quarto venne concessa in feudo a Francesco Pes e ai suoi discendenti da parte di Carlo VI. Nel 1718 il villaggio, come il resto della Sardegna, passò in mano ai Savoia. Con loro per Quartu cominciò la crescita economica, anche se momentaneamente i Savoia riconfermarono la Baronia in favore della famiglia Pes, che la tennero fino al 1836. Nel 1793 Quartu venne attaccata dai francesi che si installarono nell'attuale parco Andrea Parodi (parco intorno alla chiesa di Sant'Andrea) e nella zona della chiesa di San Forzorio. Al prezzo di lunghe lotte, i Quartesi riuscirono a scacciare i francesi dal loro territorio.
Nel 1861 avvenne l'unificazione italiana quando con una legge (in seguito alle annessioni avvenute tra 1859 e 1860) il Re di Sardegna Vittorio Emanuele II assunse la nuova denominazione di Re d'Italia e con lui il Regno di Sardegna quello di Regno d'Italia. Nel 1862 il comune adottò l'attuale denominazione nel programma di generale revisione dei nomi geografici voluto dal governo. Nel 1868, l'8 ottobre del 1881 e il 5 ottobre del 1889 Quartu, come altri centri del campidano subì delle alluvioni causate da forti piogge torrenziali. L'alluvione del 1889 fu quella più forte e di cui maggiormente ci si ricorda. Morirono 25 persone, i feriti furono alcune centinaia, oltre 2000 gli sfollati, inoltre cinquecento edifici furono totalmente distrutti mentre molti di quelli rimasti in piedi subirono gravi danni. Tra la fine dell'Ottocento e l'inizio del Novecento a Quartu vennero costruite tante nuove strutture come la cantina sociale, le fornaci di laterizi Picci, le fornaci di laterizi Maxia, la stazione tranviaria, la caserma dei carabinieri con annesse le carceri, il pastificio Rosas, la cartiera Perra, la distilleria Cabras e qualche cinema. Il 9 gennaio 1959 con decreto del presidente della Repubblica Giovanni Gronchi Quartu è stata insignita del titolo di Città. Tra gli anni ottanta e gli anni novanta, a Quartu si verificò una considerevole crescita demografica, grazie anche alla costruzione del nuovo quartiere di Pitz'e Serra. Nello stesso periodo la città vide i suoi abitanti più che raddoppiati, soprattutto grazie alla vicinanza di Cagliari nel cui agglomerato urbano è ormai incorporata. Attualmente Quartu, con oltre 70000 abitanti, è la terza città della Sardegna per popolazione dopo Cagliari e Sassari.
Lo stemma del comune di Quartu Sant'Elena è uno scudo rosso con due spade incrociate e con in basso una pietra miliare di colore verde con incisa la cifra romana IV. All'esterno ha nel lato destro un ramo di quercia e nel lato sinistro un ramo di olivo, legati insieme da un nastro tricolore. Lo scudo è sovrastato dalla corona di Città. Araldicamente è così descritto: «di rosso a due spade d'argento, guarnite d'oro, decussate, accompagnate da una pietra miliare di verde, fondata in punta, caricata del numero romano IV, d'oro. Ornamenti esteriori da Città.» Fino al 2003 lo scudo dello stemma era di colore bianco e verde. Il gonfalone è invece un drappo quadrangolare dai colori bianco e verde, ornato di ricami d'oro, caricato dallo stemma comunale e riportante nella parte superiore il nome del comune. La bandiera comunale presenta gli stessi colori del gonfalone.
Titolo di Città - nastrino per uniforme ordinaria - «Per le sue tradizioni storiche e per i meriti acquisiti dalla sua Comunità».