1926年1月に東洋レーヨン（現・東レ）が資本金1000万円で設立された。当時最先端の繊維として注目された化学繊維（レーヨン）の製造を行うことを目的としたが、すでに国内では帝人が先行しており、東レは後発参入に相当した。
会社設立時点において、東レは三井物産の子会社であり、実態としては三井グループにおける化学繊維部門を担当する企業であった（出資比率は不明）。三井物産としては、第一次世界大戦によって巨額の利益を確保しており、これらの利益を「化学繊維の研究開発および量産」に投資する意図があった。
すでに、1925年に三井物産において「特別室」を設置し、東レの設立準備に入っていた。
会社設立の時点で、社名を「三井レーヨン」にしなかった理由は、労働争議への警戒が理由であった。繊維産業は労働集約産業であり、ストライキの発生時に三井財閥に飛び火しないよう、あえて「東洋レーヨン」の商号を採用した。
東洋レーヨンの設立にあたって、1926年4月からレーヨンの製造工場の建設を開始。生産拠点としては「滋賀県（大津）」を選定し、滋賀工場として稼働した。生産品目はレーヨン（紡糸）であり、親会社である三井物産向けに出荷された。
滋賀県大津を選定した理由は、レーヨン製造にあたって技術採用した「二重送法」に最適な水質と判断したためであった。創業前に三井物産は国内20箇所以上の河川の水質調査を行った結果、最終的に「吉井川（岡山県西大寺）・庄内川（愛知県名古屋）・琵琶湖（滋賀県大津）」などを候補に選定。このうち、滋賀県は工場新設に対して財源の観点から協力的であったことや、庄内川の水質が再試験によって「不可」と判断されたことで、最終的に滋賀県大津に決定した。
レーヨンへの参入を決定したものの、最先端の技術であり、技術者が不在という問題に直面した。東レとしては独自技術を志向した為、他社からの引き抜きも避ける方針を取り、大学を卒業したての若い技術者を育成する方針を決定。不足する技術については、外国からレーヨンの技術者を招聘し、外国人技師から若手技術者に継承する形をとった。
技術者の育成には三井グループが全面的に協力した。1925年に三井物産は4名の留学生を欧州に派遣し、1926年からは三井鉱山目黒試験所にて無機物の分析を開始するなど、三井系の各社が協力した。
1927年8月15日23時40分に滋賀工場の南紡糸室1号機から「最初の１本の糸」が出て、レーヨンによる紡糸の試作に成功した。その後、量産の準備に着手し、1928年1月に紡糸機40台を稼働させて滋賀工場におけるレーヨンの量産を開始した。
滋賀工場では、レーヨンの需要増大に合わせて増産を実施。1931年には国内のレーヨン生産において「シェア20%」を確保するに至った。
今思い出すと、機械の前にいたものは、スターレー、アーダン、ボルトと私の4人。他の人々は第５号機や第６号機のブリーデングに一生懸命準備を急いでいた。まもなくボルト氏の手から繰り出された糸は、ボットムガイドからトップガイドへ、そこからさらにゴデットファンネルを通って、ボットの中に吸われていく。
出た！出た！待望の糸が。時まさに昭和2年8月15日午後11時40分。南紡糸室第１号機スピンドルナンバー第７６号から、当社最初の１本の糸は出たのだ。コンディションは最上。16日の午前0時を期して、外人総出で第１号機に一斉に糸掛けされた。平田専務をはじめ、重立つ人々が現場にみえ、皆隠しきれぬ喜びを満画にたたえていた。
1951年6月に東レ（田代茂樹・会長）は、合成繊維に本格参入するため、米国の大手化学メーカーであるデュポン社より合成繊維「ナイロン」に関する技術導入の契約を締結した。
東レは戦前の1927年に、デュポンがナイロンの開発を行っていることを認知し、自社でも研究開発を開始した。だが、戦時中に技術的に立ち遅れたため、技術提携を決定した。ただし、契約内容は特許実施権のみであり、ナイロンの製造に関しては独自技術を開発する必要があった。
なお、1951年の時点で合成繊維は国内では普及しておらず、衣服向けの繊維用途として適格であるかは未知数であり、繊維メーカー各社はナイロンの将来性に懐疑的であった。このため、東レによるナイロンの技術導入の決定は、繊維業界における異色の意思決定となった。
技術提携にあたって、東レはデュポンに対して技術提携料として10.8億円の支払いを決定。当時の東レの資本金は7.5億円であり、資本金を超過する投資を意味しており、技術導入に失敗すれば東レの財務体質が悪化することを意味した。
東レはナイロンの量産を本格化するために、1950年5月に旧三菱重工大江工場（戦時中に航空機生産に従事）を取得した。ナイロンの製造は既存のレーヨン工場に併設する形ではなく、新工場の新設によって量産体制を素早く確立することを目論んだ。
ナイロンの製造にあたって、原料に「カプロラクタム」を使用することから、東レは安定的に原材料を調達するために、1949年に東亜合成と提携した。東亜合成は、カプロラクタムについて「亜硫酸ソーダ・亜硝酸ソーダ・亜硫酸ガス」を用いて製造し、そのために名古屋に工場を新設して、東レへの供給体制を整えた。
東レの会長としての初仕事はナイロンの工業生産を実現すること、これに関連して米国デュポン社からライセンスを譲り受けることであった。東レはすでにナイロン日産5トンの工場建設を計画していた。用地は名古屋の三菱の旧飛行機組み立て工場を譲り受けることに話を決めた。デュポンの方は何度手紙を書いてもとんと返事がない。たまたまニューヨーク時代のボスだった手島知健さんが、ローアリークラブの用件で渡米されることを辛島さんからきき、手島さんに頼むことになった。
7月中旬、手島さんからデュポンの返事を伺った。「ノウハウはださぬ。特許譲渡しは考えよう。計画書を出してくれ・・・」ということであった。そこで関係者を集め計画書を作成して送った。11月12日の夕、九州からの帰途、芦屋の寮でデュポンのオファーを入手した。ロイヤリティーの前払いとして300万ドルを要求している。1ドル360円のレートで、10.8億円となる。資本金7.5億円をかなり上回る金額で、ウーンと思わずため息が出た。ビールを飲んでぐっすり眠った翌朝、手紙を再読していると、分割払いの考えが浮かんできた。これでいうと社長の袖山君にも話して、在米の岩永常務（現三井石油化学会長）に詳細を書き送り、デュポン社に伝えさせた。
ABS樹脂生産のために千葉工場を新設
PPフィルム生産のために東海工場を新設
PEフィルム生産のために岐阜工場を新設
1982年4月に米ボーイング社は、12年ぶりに発表した新型旅客機B767（1981年8月4日に1号機を披露）について、胴体部分の炭素繊維材料メーカーとして3社「東レ・東邦レーヨン・米UCC（ユニオンカーバイト）」を指定。B767の登場に伴って、東レはボーイング向の航空部材として、炭素繊維の供給を本格化。
1990年4月に東レはボーイングから次期新型機「B777」向けの炭素繊維部材を受注。尾翼を含めた主要構造材に採用され、炭素繊維の適用箇所が広くなり注目を集めた。
1990年の時点で、将来10年間にわたるB777向けの炭素繊維は受注額を800億円を予定。
2014年に米Zoltek Companiesを買収。風力発電翼用途の炭素繊維複合材料を展開する企業であり、炭素繊維の販売先の拡大を意図した買収であった。
買収による株式の取得価額は1009億円であり、Zotekが保有する現預金を控除した「取得のための支出」は913億円となった。また、買収による「のれん」として232億円を計上した。東レとしては、1000億円弱の大規模な買収を決断した。
東レの意図に反して、2020年代を通じて風力発電所向けの需要が低迷。2024年3月期東レはZoltek社関連の「のれん」について全額減損（約139億円の減損）を決定した。
2018年にTenCate Advanced Composites HD（通称TCAC・オランダ本社）の買収を決定。同社は欧米において炭素繊維（熱可塑性樹脂・高耐熱硬化性樹脂材料）を展開しており、航空宇宙分野における納入実績が存在する企業であった。東レとしては航空機材料として炭素繊維を拡大するために、TCACの買収を決定した。
買収による取得原価は1171億円であり、「のれん」として657億円を計上した。東レとしては、Zotekに次ぐ1000億円前後の規模の大型買収を決断した。
ボーイング向けの炭素繊維部材の販売低迷を受けて、東レの米国子会社において25%の人員削減を決定。