Виникнення Вільногірська пов’язане із промисловим освоєнням покладів титанових руд — циркон-рутил-ільменітового родовища біля витоків Самоткані. У квітні 1956 року було ухвалено рішення про будівництво гірничо-металургійного комбінату і робітничого селища. 12 серпня 1956 року є офіційною датою заснування (будівництво з липня) Вільногірська.
16 червня 1958 року рішенням виконавчого комітету Дніпропетровської обласної ради населеному пункту при будівництві гірничо-металургійного комбінату була присвоєна назва Вільногірська, оскільки селище виникло поблизу станції Вільні Хутори (та по гірничо-металургійному комбінату).
З 1965 році Вільногірськ місто Верхньодніпровського району, з 1990 року місто обласного підпорядкування Дніпропетровської області.
