Cầu Hàm Rồng đầu tiên được người Pháp xây dựng từ năm 1901 - 1904, có kết cấu thép dạng vòm, một nhịp, với tuyến đường sắt ở giữa cùng hai làn đường bộ hai bên. Cây cầu này bị phá hủy năm 1946 trong chiến dịch tiêu thổ kháng chiến. Năm 1962, cầu Hàm Rồng mới được khởi công xây dựng và khánh thành ngày 19-5-1964. Cầu dài 150m, gồm hai nhịp dầm thép, một trụ, ở giữa là đường sắt, hai bên là đường bộ.

Cầu Hàm Rồng có địa thế đẹp. Hai mố cầu gối vào chân hai quả núi ở hai bờ sông. Phía tả ngạn (bờ đông) là núi Ngọc, phía hữu ngạn (bờ tây) là núi Hàm Rồng. Cây cầu cùng hai ngọn núi và dòng sông Mã uốn lượn tạo nên một thắng cảnh kỳ thú. Đặc biệt, ở núi Hàm Rồng còn có hai động Long Quang và Tiên Sơn rất đẹp. Trong động Long Quang còn lưu giữ những bài thơ chữ Hán thời Hậu Lê ca ngợi thắng cảnh núi Rồng sông Mã. Từ xa, khu danh thắng này có hình giống con rồng đang vờn ngọc.

Trong cuộc kháng chiến chống Mỹ, cầu Hàm Rồng là điểm giao thông quan trọng trên con đường huyết mạch chi viện cho chiến trường miền Nam, vì thế, đây là trọng tâm đánh phá của không quân Mỹ trong nhiều năm. Quân và dân Thanh Hóa với hai trận địa phòng không chính trên núi Hàm Rồng và núi Ngọc đã kiên cường đánh trả, quyết giữ cầu để bảo đảm giao thông thông suốt. Các đơn vị bảo vệ cầu đã chiến đấu hàng trăm trận, bắn rơi hơn 100 máy bay các loại. Chỉ riêng ngày 3 và 4-4-1965, quân và dân Thanh Hóa đã bắn rơi 47 máy bay địch, bắt sống nhiều giặc lái. Từ năm 1964 - 1968, không quân Mỹ đánh phá ác liệt nhưng không thể ném bom trúng cầu. Năm 1972, Mỹ dùng bom điều khiển bằng laser đánh trúng và làm tê liệt hoàn toàn cầu Hàm Rồng. Năm 1973, cầu được khôi phục lại và có diện mạo như ngày nay.

Sau khi có cầu đường bộ Hoàng Long bắc qua sông Mã (khánh thành năm 2000), cầu Hàm Rồng chủ yếu dành cho đường sắt và thưa vắng phương tiện giao thông hơn. Năm 2009, dự án cải tạo cầu Hàm Rồng được khởi công cùng Công viên Hàm Rồng, trở thành điểm tham quan hấp dẫn của thành phố Thanh Hóa.