Heidenau besteht aus den Stadtteilen Gommern, Großsedlitz, Heidenau-Süd, Kleinsedlitz, Mügeln und Wölkau.
Das heutige Heidenau wurde 1920 aus den Dörfern Mügeln, Heidenau und Gommern gebildet. 1923 wurde der Ort Großsedlitz eingemeindet, im Jahr darauf erhielt die Gemeinde das Stadtrecht. Heidenau wurde als Name der Stadt gewählt, weil die weitaus meisten Industriebetriebe ihren Sitz auf der Heidenauer Flur hatten und einer Namensänderung ablehnend gegenüber standen. 1933 kam noch der Stadtteil Kleinsedlitz dazu, 1950 schließlich Wölkau.
Während Heidenau, das 1347 erstmals urkundlich erwähnt wurde, bis zu Beginn des 19. Jahrhunderts agrarisch geprägt blieb, befindet sich in Großsedlitz einer der bedeutendsten Barockgärten Sachsens. 1719 hatte Graf August Christoph von Wackerbarth das Rittergut Kleinsedlitz und weite Teile der umliegenden Gegend gekauft und eine Schlossanlage, das Friedrichschlösschen Großsedlitz, errichtet. 1723 verkaufte er sie an den Kurfürsten Friedrich August I. von Sachsen, genannt August der Starke.
1848 wurde der jetzige Ortsteil Mügeln an die Bahnstrecke Dresden–Decín angeschlossen, was das Aufkommen der ersten Industriebetriebe in der Region zur Folge hatte. 1890 wurde die nach Altenberg (Erzgebirge) führende Müglitztalbahn eröffnet. Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts entstanden Zellulose- und Papierfabriken, Unternehmen der Maschinen- und Metallwarenfabrikation, Elektrizitäts- und Elektromotorenwerke, Netz- und Farbwerke sowie chemische und fotochemische Industrie.
Während des Zweiten Weltkriegs forderte die Elbtalwerke AG für ihre Produktion KZ-Häftlinge an, die ihnen wahrscheinlich auch zugesprochen wurden. Eine Außenstelle des Konzentrationslagers Flossenbürg befand sich in Heidenau. Am letzten Tag des Krieges, dem 8. Mai 1945, kam es zu einem verheerenden Bombenangriff auf Heidenau, bei dem 40 Menschen starben. 32 Häuser wurden zerstört, 412 Gebäude zum Teil schwer beschädigt.
Zu DDR-Zeiten entstanden mehrere Neubauviertel. Dennoch konnte der erhebliche Wohnungsmangel in dieser Zeit nicht beseitigt werden. Heidenau war ein bedeutender Industriestandort zwischen Dresden und Pirna. Heute zählen eine Papierfabrik, eine Malzfabrik, ein Möbelwerk, ein Tanklager der DEA, mehrere Maschinenfabriken und Unternehmen der Reifenproduktion zu den wichtigsten Arbeitgebern des Ortes.
Im August 2002 richtet das Hochwasser der Müglitz schwere Verwüstungen in Heidenau an. Durch das kurz darauf nachfolgende Elbehochwasser standen etliche Stadtteile unter Wasser.Das Max-Leupold-Stadion wurde durch das Hochwasser ebenfalls überschwemmt und in den darauffolgenden Jahren mit der angrenzenden Radrennbahn, die mit Wasser volllief und damit abgerissen sowie neu gebaut werden musste, und dem umgebendem Gelände umgebaut. 2005 wurde das Gelände als "Sportforum" eingeweiht, in dem Zuge wurde die angrenzende Straße in "Am Sportforum" umbenannt.
Ebenfalls 2005 zog die Stadtbibliothek von einem benachbarten Bau in das neugebaute Brunneneck um.
Da die Stadt aus mehreren Dörfern gebildet wurde, existiert kein Marktplatz. Daher wurde ab Juli 2006 die Fläche zwischen Bahnhofstr. und Brunneneck, auf der vorher ein Getränkemarkt angesiedelt war, zum Marktplatz umgebaut, der aber auf Karten nicht so bezeichnet wird. Am Marktpatz wurde das Stadthaus gebaut, in welchem u. a. die Touristinformation und der Heimat- und Kulturverein Heidenau ihr Domizil haben.
