В 1809 году владелец металлургических заводов Кнауф, намеревавшийся создать в Златоусте производство качественного стального инструмента, заключил с этой целью контракт с работавшим к тому времени на Урале немецким металлургом и минералогом Александром фон Эверсманом, Согласно контракту Эверсман должен был привлечь на завод немецких специалистов, и в 1810 году Эверсман устроил переезд в Златоуст 52 немецких специалистов с Ижевского завода. В 1811 году, получив предложение золингенских оружейников об организации в России оружейной фабрики, Эверсман обратился к А. Ф. Дерябину, возглавлявшему Департамент горных и соляных дел, а тот — через министра финансов графа Гурьева — к Императору Александру I, который одобрил идею. В том же году кабинет министров Российской империи принял решение о создании оружейного завода, которое утвердил император. Эверсману, предложившему варианты удешевления проекта, было поручено создание завода, и в 1813 году — когда русская армия вошла в Пруссию — он был командирован туда для заключения контрактов с немецкими производителями оружия. Официальное открытие завода под названием «Фабрика дела белого оружия, разных стальных и железных изделий» состоялось 16 декабря 1815 года, а Эверсман был назначен директором. Для налаживания производства им было приглашено более ста специалистов из известных оружейных центров Европы.Также были приглашены мастера с Тульского и Олонецкого заводов. В первые годы существования фабрики была проведена подготовка рабочих кадров, а в 1821 году началось серийное производство оружия.

Начиная с 1829 года Златоустовская гравюра на стали неоднократно получала похвальные отзывы и высокие награды на международных выставках: Лондон (1851) — бронзовая медаль; Лондон (1862) — серебряная медаль; Париж (1867) — две серебряные медали; Вена (1873) — серебряная медаль; Филадельфия (1876) — две серебряные; Париж (1878) — золотая медаль; Чикаго (1893) — большая бронзовая; Брюссель (1897) — золотая медаль.

Одним из первых руководителей фабрики с 1824 по 1847 год был П. П. Аносов.

С 1835 года Златоустовская оружейная фабрика была единственным государственным предприятием в стране, вооружавшим армию холодным оружием, сначала русскую, потом советскую. За годы Первой Мировой войны было изготовлено более 600 тысяч шашек, клинков и кавалерийских пик, за годы Великой Отечественной войны советская армия получила 583 тысячи боевых шашек и около 1 миллиона армейских ножей, прозванных «чёрными ножами» (с нем. — «шварцмессер»), ставших отличительным признаком, в частности, Уральского добровольческого танкового корпуса. В 1945 году на Параде Победы все его участники были вооружены златоустовским холодным оружием.

В 1830-х годах на фабрике было начато производство бытовых предметов, преимущественно по особым заказам и для экспозиций. Выпускались зеркала, столовые приборы, подсвечники, подносы, ножи для бумаги, спичечницы и многое другое. Так как затраты на подобное производство были велики, в 1909 году отделение украшенного оружия было закрыто.

В 1837 году на фабрике было открыто кирасное отделение, производившее стальные кирасы весом от 11 до 9,5 фунтов. Златоустовские кирасы выдерживали попадание ружейной пули с расстояния в 60 шагов. Изготовление кирас на фабрике было остановлено в 1860 году в связи с расформированием кирасирских полков в армии.

С 1854 по 1861 год директором фабрики состоял П. М. Обухов. Под его руководством было налажено массовое производство кирас из литой стали. В 1850—1860-х годах фабрика полностью перешла на производство оружия из литой стали.

В 1927 году, в ознаменование 10-летия Октябрьской революции в Златоусте было налажено производство наградных топоров, украшенных художественной гравировкой на трудовую и боевую тематику, а также портретами Ленина и Сталина.

С 1947 года на фабрике трудился Г. М. Берсенёв, художник-самоучка, изготовивший большое количество коллекционных сабель, мечей, шкатулок и других изделий. Впоследствии он стал главным художником Златоустовской фабрики и членом Союза Художников СССР.

В советский период оружейная фабрика входила в состав завода имени Ленина.