1933年5月10日、立石一真は大阪市都島区東野田に立石電機製作所を創業した。最初の製品はレントゲン写真撮影用のタイマである。1936年に西淀川区野里町に工場を新設移転したが、戦災を避けるため1945年6月に京都市右京区花園土堂町へ拠点を移した。この疎開が、今日オムロンが京都に本社を置く直接のきっかけとなった。1948年5月、資本金200万円で立石電機株式会社として株式会社化する。

1955年1月、立石一真は独自の組織論「プロデューサ・システム」を創案した。販売部門と研究部門を別会社として分離し、生産部門を独立専門工場として分社化していく分権型の事業運営方式である。最終的に生産子会社は9社に及んだ。後年、1999年の事業部制廃止とカンパニー制導入も、2010年代の事業別分社化も、1955年に原型が作られたこの分権思想の延長線上にある。

1959年1月、本社所在地「御室」に由来する商標「OMRON」を制定し、同時に立石電機研究所を吸収合併した。翌1960年には世界初の無接点近接スイッチを開発、同年10月には京都府長岡町に中央研究所を竣工した。1962年4月に京都・大阪証券取引所市場第二部に上場し、資本調達と開発投資を両面で回す体制を整える。

1964年、オムロンは世界初の電子式自動感応式信号機を開発し、制御技術を交通インフラ領域へと広げた。1966年9月には東証・名証一部にも上場。翌1967年3月、阪急北千里駅で世界初の無人駅システムが稼動を開始した。自動改札機と券売機を組み合わせたこのシステムは、日本の鉄道自動化の原型となる。1973年にはヘルスケア事業の起点となる血圧計1号機を開発し、FA・社会システム・ヘルスケアという現在の三本柱が1960〜70年代に出そろった。

1972年2月、オムロンはオムロン太陽株式会社を設立した。障がい者雇用を前提にした生産子会社であり、創業者・立石一真が抱いた社会貢献思想が事業形態に現れた事例である。同種の試みが全国に広がる中、オムロン太陽はその先駆けとして位置付けられた。1985年3月にはオムロン京都太陽も設立し、この路線は継承された。

1988年4月、同社は東京支社を東京本社に昇格させ二本社制に移行すると同時に、オランダに欧州地域統轄会社、シンガポールにアジア・パシフィック地域統轄会社を設立した。翌1989年4月には米国に北米地域統轄会社を設けてグローバル3極統轄体制を完成させる。1960〜70年代の国内発明会社から、1980年代後半には世界市場を視野に入れた制御機器メーカーへと軌道を変えた局面である。

1990年1月、社名を「オムロン株式会社」に正式変更した。1959年に制定された「OMRON」ブランドは国内外で浸透しており、創業家名「立石」を冠した社名との齟齬がなっていた。同時にグローバル企業としての統一ブランド化を進める意味合いもあった。1991年4月には本社を京都市下京区に移転し、2000年8月には複合機能拠点「オムロン京都センタービル」に本店を集約する。

1993年4月、中国で初めての独資生産会社オムロン大連有限公司が稼動を開始し、以降中国を主要製造拠点として位置付けていく。1994年5月には中国地域統轄会社を設立し、2002年4月には中国本社に格上げした。2006年6月には制御機器システムのグローバル中核拠点としてオムロン上海有限公司が稼動を開始する。2000年代を通じて、同社の制御機器事業は組立・基板実装の中国集中を実行した。

1999年4月、事業部制を廃止してカンパニー制を導入した。1955年のプロデューサ・システムから45年ぶりとなる組織論の再定義であり、各カンパニーが独立した事業責任を持つ体制に切り替えた。2003年7月にはヘルスケア事業を分社しオムロンヘルスケア株式会社を設立し、血圧計事業の独立運営体制を確立する。同月には京都府相楽郡（現木津川市）に京阪奈イノベーションセンタを開設した。

2004年10月、オムロンは伊BITRON INDUSTRIE S.P.A.を子会社化して車載電装部品事業を拡大すると同時に、ATM等の情報機器事業を共同新設分割で日立オムロンターミナルソリューションズ株式会社へ承継した。事業を買う側と切り離す側の判断を同じ月に下している点に、同社のポートフォリオ運営スタンスが表れている。2005〜2008年にかけてはコーリンメディカルテクノロジー・パイオニア精密・野洲セミコンダクターなどのM&Aを重ね、医療・バックライト・半導体領域を補強した。

2008年3月期の売上高は7,630億円と過去最高水準に達したが、リーマンショックが局面を一変させた。2009年3月期の売上高は6,272億円（前期比▲17.8%）に落ち込み、オムロン株主に帰属する当期純損失は▲291億円と過去最大級の赤字を記録した。FA需要の急減が制御機器事業を直撃した結果である。

危機からの回復局面で、オムロンは事業別の分社化をさらに行った。2010年4月にスイッチ事業を分社しオムロンスイッチアンドデバイス株式会社、5月に車載電装部品事業を分社しオムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社、11月に社会システム事業の子会社オムロンソーシアルソリューションズ株式会社を設立する。事業ごとに別会社として独立させる体制は、後の事業切離しの前提条件となった。2011年に山田義仁が代表取締役社長に就任し、長期ビジョン策定を担う次の経営体制が発足する。

2015年9月、オムロンは米Delta Tau Data Systemsを子会社化した。モーション制御機器メーカーの買収である。翌10月には米Adept Technology Inc.を子会社化し、産業用ロボット事業に本格参入する。Adeptは自律搬送ロボット（AMR）の技術を持っており、オムロンはこれをFA事業の中核要素として位置付けた。現OMRON ROBOTICS AND SAFETY TECHNOLOGIESの原型である。

2017年にも買収を続ける。7月に産業用カメラメーカーのセンテック株式会社を子会社化してマシンビジョン領域を補強し、10月には米Microscan Systems Inc.を子会社化して産業用コードリーダー領域を取り込んだ。これら一連のM&Aは、制御機器事業（コントローラー・センサー・サーボ）に「ロボット・画像・コードリーダー」を加えて、工場自動化の上位レイヤーを丸ごと提供する戦略の具現化である。2018年2月には近未来をデザインする研究会社「オムロンサイニックエックス株式会社」を設立し、AI・ロボティクス領域の先行研究体制を整えた。

一方でオムロンは、非中核事業の切離しを同時並行で行った。2018年8月、レーザー加工装置事業のオムロンレーザーフロント株式会社全株式をTOWA株式会社へ譲渡。2019年2月、産業用電子機器の開発・製造受託事業のオムロン直方株式会社の株式80%をアドバンテック社に譲渡。そして2019年10月、車載電装部品事業を手掛けるオムロンオートモーティブエレクトロニクス株式会社の全株式をニデック株式会社に譲渡した。2004年に伊BITRONを買収して以来15年かけて育てた車載事業の完全撤退である。

2021年3月、持分法適用会社であった日立オムロンターミナルソリューションズ株式会社の全株式を日立製作所に譲渡し、2004年に日立と共同設立したATM事業からも完全撤退した。同年10月にはMEMS事業を分社しミツミ電機に譲渡する。山田義仁社長の経営下で進められたこれらの切離しは、売上規模よりも事業選択の明確さを優先する路線の表れだった。2020年に掲げた「選択と分散」という概念は、単なる事業切離しではなく、残した事業の中でサプライチェーンとリスクを分散させるという独自の考え方として位置付けられた。

2022年、辻永順太が代表取締役社長CEOに就任した。同年2月、オムロンは医療統計データサービスの株式会社JMDCと資本・業務提携を実施し、データヘルス領域への本格参入を表明する。4月には東証市場区分見直しにより一部からプライム市場へ移行し、6月には定款を一部変更して「企業理念の実践」を明文化した。2023年10月、JMDCを連結子会社化し、データヘルスプラットフォームを自社傘下に取り込んだ。

辻永就任時点での業績は好調だった。2022年3月期（山田社長時代の総決算）の売上高は7,629億円・当期利益614億円。2023年3月期には売上高8,760億円・当期利益738億円と過去最高水準に達していた。しかしこのピークの直後、オムロンは別の局面に突入する。