Населённый пункт впервые упоминается в 1137 году в уставе новгородского князя Святослава Ольговича как пункт сбора церковной дани, в летописи 1397 года упоминается как волость Вель.
В 1462 году, в результате упорной борьбы Новгородской республики и московских князей, Вельский погост в составе Важской волости стал принадлежать Великому княжеству Московскому, а в 1550 году он становится Вельским посадом.
В 1708 году Вельск вошёл в состав вновь сформированной Архангелогородской губернии. В дальнейшем Вельск находился в Верховажской половине Важского уезда (с 1715 по 1719 год — Важская доля, до 1727 года — дистрикт) Вологодской области Вологодского наместничества, выделенного из Архангелогородской губернии 25 января 1780 года в соответствии с реформой Екатерины II. 30 июня 1780 года наместничество было официально открыто, Вельск получил статус уездного города, и Вельский уезд, образованный из Верховажской половины, стал частью Вологодского наместничества.
2 октября 1780 года был Высочайше утверждён герб Вельска: «В первой части герб Вологодский. Во второй части дёгтем наполненная бочка в золотом поле — в знак, что обыватели сего города оным производят знатный торг».
31 декабря 1796 года Павлом I наместничества упразднены, и Вельск вместе с уездом надолго вошёл в состав Вологодской губернии. В XIX веке Вельск — центр льняного производства, а также изготовления продуктов из древесины (смола, скипидар, дёготь и др.). Известность получили вельские ярмарки.
С 80-х годов XIX века Вельск становится местом политической ссылки. В разное время в городе находились в ссылке Пётр Смидович (видный деятель революционного движения в России), Павел Бляхин (автор известной книги «Красные дьяволята»), Пётр Моисеенко (организатор Морозовской стачки в Орехово-Зуеве). В 1850-х годах в Вельске был в ссылке писатель Александр Левитов, с 1866 по 1867 год — революционер-народник Порфирий Войноральский (Войнаральский).