Метровагонмаш ведет свою историю с конца XIX века. В разные годы продукция завода поставлялась в Германию, Иран, Египет, Индию, Китай, Монголию, Венгрию, Польшу, Болгарию. Всеобщую известность в России и в странах СНГ получили вагоны серии 81-717. За характерный внешний вид им давали разные прозвища: например, «полосатики» или «канарейки» (первые составы этой серии были покрашены в три цвета: желтый, зеленый и синий). За все время было выпущено более 7400 вагонов всех модификаций так называемой номерной серии.
В 2005 году Метровагонмаш вошел в состав «Трансмашхолдинга». Предприятию это гарантировало повышение финансовой устойчивости, доступ к передовым технологиям, получение дополнительных заказов и расширение присутствия на международной арене.
С 2003 по 2013 год выпускались вагоны серии 81-740/741 «Русич». Более 850 вагонов разъехались по метрополитенам Москвы, Казани и Софии.
В 2012 году началось массовое производство поездов типа «Ока». В салонах были установлены кондиционеры, в головных вагонах предусмотрено место для размещения коляски. В одной из модификаций впервые появился сквозной проход между вагонами. В декабре 2014 года был изготовлен тысячный экземпляр «Оки».
Производство завершено в 2016м в связи с переходом на выпуск обновленной модели 81-765/766/767 «Москва».
С 2014 года все вагоны, поставляемые в Московский метрополитен, обслуживаются по контракту жизненного цикла (КЖЦ) компанией ООО «Метровагонмаш-Сервис». Сейчас на сервисном обслуживании находится более 3600 вагонов. Надо сказать, что ТМХ — первая в отрасли компания, которая внедрила такую форму работы. Она выгодна обеим сторонам: владелец и эксплуатант избавлены от необходимости поддерживать парк в исправном состоянии, все заботы на себя берет сервисная компания, а производитель в лице обслуживающей организации получает загрузку на 30 лет вперед.
В рамках развития производственной базы в 2019 году был открыт филиал Метровагонмаша в Санкт-Петербурге. Подразделение выполняет сборку, капитальный ремонт и модернизацию вагонов метро.