Am Anfang der Hamburger S-Bahn steht die Verbindungsbahn zwischen Altona und Hamburg. Vom 16. Juli 1866 an verband diese Schienenstrecke die Vorläufer des Hauptbahnhofs wie den Bahnhof Klosterthor und den Berliner Bahnhof mit Altona. 1867 wurde die Strecke nach Blankenese erweitert – zunächst eingleisig und ohne Haltestellen. Seit Eröffnung konnten die Fahrgäste einen ermäßigten Stadttarif nutzen. Die Menschen nahmen das Verkehrsmittel an, die Fahrgastzahlen stiegen unaufhörlich.

Der 5. Dezember 1906 gilt als die eigentliche Geburtsstunde der Hamburger S-Bahn. Unter der Bezeichnung Hamburg-Altonaer Stadt- und Vorortbahn wurde der Personenverkehr zwischen den Städten Blankenese, Altona und Hamburg aufgenommen. Während die Waggons zum Anfang noch mit einer Dampflokomotive gezogen wurden, wurde die Bahn gut 40 Jahre später von Blankenese bis zu ihrem Endpunkt im Norden Hamburgs mit einer Wechselstromoberleitung elektrifiziert.

Von 1934 an verwendete man auch in Hamburg den bereits in Berlin geläufigen Namen S-Bahn für das System elektrischer Stadtschnellbahnen. In der Nachkriegszeit wurde das S-Bahn-Netz erweitert: 1958 bis Bergedorf, 1962 bis Eidelstedt, 1967 nach Pinneberg. Von 1967 an wurde zudem die City-S-Bahn errichtet. Der erste Abschnitt zwischen Hauptbahnhof und Landungsbrücken wurde 1975 eröffnet. Am 2. Januar 1967 führte das Unternehmen Linienbezeichnungen mit einem „S“ ein.

1983 wurde die S-Bahn als Linie S 3 nach Harburg verlängert, 1984 dann über Heimfeld bis nach Neugraben. Seit 2007 führt die Strecke bis nach Stade. Seit 2008 fährt die S-Bahn auch zum Flughafen in Fuhlsbüttel. Die Anbindung hatte sich lange hingezogen, weil bis in die 1980er-Jahre der Bau eines Großflughafens bei Kaltenkirchen vorgesehen war. Die nächste große Herausforderung ist die Erweiterung nach Bad Oldesloe, die derzeit als S 4 Ost geplant wird. Kosten: rund 900 Millionen Euro.