Beliggende ved munningen av elven Nid (Nidelva) var stedet først kjent under navnet Nidaros (norrønt Niðaróss), som betyr byen ved oset av Nid.
Ved opprettelsen av Nidaros erkebispedømme i 1152 ble navnet latinisert til Trundum (Trundensis) i Vatikanet. Nidaros trundensis betyr rett oversatt Nidaros av trundum eventuelt trondæm (Trønderfylkene). Nidaros-navnet på byen kom senere i bakgrunnen av flere grunner, først og fremst fordi erkebispesetet forsvant i 1537.
Þrónd(h)eimr, som opprinnelig var et navn på de åtte trønderske fylkene, altså nåtidens Trøndelag, sto for «trøndernes hjem». Første ledd er folkenavnet þróndr, «trønder», som er et gammelt presens partisipp av verbet þroásk, «vokse» (med den samme roten som i «trives»), som da kan oversettes som 'sterk, fruktbar' Den latinske varianten Trundum kan eventuelt forklares som en gjengivelse av den norrøne formen for dativ flertall av þróndr, som kan ha forekommet ofte i uttrykk som hos trønderne.
I senmiddelalderen ble Kaupangen i Trondheimen, altså handelsplassen i Trøndelag også brukt som bynavn og kortformen Trondheim /Tronhjæm ble brukt parallelt med Nidaros. Under unionen med Danmark ble dette fordansket til T(h)rondhjem og Trondhjems len, så dette navnet var i bruk fra 1500-tallet.
I perioden 1925–1930 ble flere bynavn fornorsket som ledd i den språklige nasjonalismen som var utbredt i Norge i første del av det 20. århundre (1925: Oslo, 1927: Halden, 1930: Stavern). Ved lov 14. juni 1929 ble det bestemt at byen Trondhjem fra 1. januar 1930 skulle ha Nidaros som offisielt navn. Det var tidligere, i 1928, avholdt en folkeavstemning om bynavnet: 17 163 stemte mot endring, og 1508 for. Befolkningen og bystyret, som ønsket å beholde Trondhjem som navn, følte seg overkjørt og protestene lot ikke vente på seg.
Etter en opprivende navnestrid ble saken tatt opp på ny i Stortinget. Dette endte med et kompromiss: ved lov 6. mars 1931 med virkning fra samme dag ble formen Trondheim innført, et «fornorsket» kompromissforslag lansert av Ivar Lykke, lokal kjøpmann, statsminister 1926–28 og stortingsrepresentant 1915–35.
Trånnhjæm (-em) er likefullt en hyppig forekommende uttale av bynavnet blant byens befolkning, og navneformen er fremdeles i bruk som navn på (nye og gamle) foreninger og bedrifter. Så sent som i 2007 ønsket en bystyrerepresentant å blåse liv i diskusjonen rundt bynavnet.
Trondheim heter på sørsamisk Tråante. Tidligere ble skrivemåten Drontheim brukt på tysk, den var ment å gjøre korrekt uttale lettere, men den skrivemåten har gradvis gått ut av bruk.
Trondheim kommune var lenge bare by, men i 1964 ble kommunen slått sammen med Strinda, Byneset, Leinstrand og Tiller. Etter litt over 50 år uten utvidelse er det nå vedtatt at Trondheim skal slå seg sammen med Klæbu 1.1 2020. Inntil da er denne geocachen plassert nøyaktig midt i kommunen.