Впервые о необходимости строительства метро в Омске разговоры начались в 1960-х гг. в связи с большой протяженностью города вдоль реки Иртыш и относительной узости его улиц. Однако, принятый в 1970 году генеральный план развития города предусматривал первоначально строительство линий скоростного трамвая. Первая линия должна была связать железнодорожный вокзал с нефтекомбинатом, а вторая - жилые массивы Левобережья с заводом пластмасс.
В 1975 году в Омске родился миллионный житель, и вскоре местные власти вернулись к вопросу о строительстве метро. Принятая в 1978 году комплексная транспортная схема Омска как раз и предусматривала строительство городе метрополитена. В 1986 году началось поступление средств на технико-экономическое обоснование и проектирование. Собственно строительство метрополитена началось в 1992 году.
По первоначальному плану предполагалось открыть на первой линии сначала южный участок "Маршала Жукова" — "Рабочая" на правом берегу Иртыша для связи центра города с Октябрьским районом и лишь потом довести линию на север до другого берега Иртыша. Были начаты работы на участке "Туполевская" — "Рабочая", и к 2003 году при достаточно скромном финансировании удалось пройти лишь тоннели на этом перегоне.
Однако к этому моменту планы радикально изменились: было решено изменить пусковой участок на северный и включить в него метромост для связи берегов Иртыша и станции по обе стороны от него — одну на правом берегу и три на левом берегу. Работы по строительству резко активизировались, а губернатором Полежаевым даже был назван точный срок открытия метро — 1 июля 2008 года. Комбинированный двухъярусный авто-метро-мост был построен и открыт для автомобильного движения в 2005 году.
Однако в связи с резким уменьшением финансирования после перевода в 2006 году бюджетообразующего предприятия "Сибнефть" из Омской области в Санкт-Петербург срок сдачи пускового участка был отодвинут на много лет. 30 мая 2008 года произошло затопление части тоннелей строящегося метрополитена в связи с прорывом водопровода. Тоннелепроходческий комплекс был залит несколькими тоннами воды. Рабочие успели эвакуироваться. На полное устранение последствий затопления потребовалось несколько недель.
По состоянию на июль 2009 готовность первой ветки метро составляла 26 %. Работы велись на трех станциях из четырех. На станции «Соборная» строительство было остановлено, велись только подготовительные работы по выносу инженерных сетей. Строительство электродепо также было приостановлено.
В 2010 году федеральный бюджет не выделил денег на строительство метрополитена, а самостоятельно Омск не мог профинансировать такой объект. Выделяемые из областного бюджета средства шли только на поддержание уже готовых объектов. К ним относятся почти готовая станция "Библиотека имени Пушкина" и тоннель от неё до станции "Кристалл".
Министр экономического развития России Эльвира Набиуллина, посетившая 24 сентября 2010 года с рабочим визитом Омское метро, очень удивилась тому, что оно находится в такой высокой степени готовности. Это и понятно - ей показали только оду готовую станцию. По результатам переговоров губернатора Омской области Леонида Полежаева с руководителями федеральных ведомств, омское метро получило 1 млрд рублей на строительство.
В марте 2011 года строительство метрополитена возобновилось, осуществлялась сборка тоннелепроходческого комплекса Lovat, способного проходить до 15 метров в сутки. Первоначально говорилось, что в течение 2011 года комплекс должен полностью выполнить проходку правого и левого перегонов между станциями «Заречная» и «Кристалл», но потом было уточнено — Lovat должен проложить 1100 из 1560 метров перегона между станциями. Также в марте 2011 года начались строительные работы на подземном пешеходном переходе у станции метро "Библиотека имени Пушкина". Он был введен в эксплуатацию в начале сентября 2011 года.
24 июня 2011 года состоялся запуск щита на перегоне между станциями «Кристалл» и «Заречная» в сторону последней. В 2011 году комплексом планировалось проложить 1651 метр тоннелей на глубине до 24 метров. Присутствовавший на запуске щита губернатор Полежаев пообещал запустить Омское метро 7 ноября 2015 года. Строительство метро ведёт научно-производственное объединение "Мостовик".
В июле 2012 года было заявлено о замедлении строительства из-за подземных рек и ручьев. В августе 2012 года завершена проходка правого 1,5-километрового перегонного тоннеля «Кристалл» - «Заречная», затем ТПК Lovat был демонтирован и развернут для последующего сооружения левого перегонного тоннеля – работы стартовали 8 октября. 1 февраля 2013 года удалось выйти к венткамере, расположенной в районе торгово-офисного центра «Фестиваль», где и произошла сбойка с ранее построенным участком левого перегонного тоннеля. Параллельно с сооружением тоннеля работы ведутся на нескольких участках: стартовали работы по обустройству площадки в районе станция «Соборная», производится отсыпка грунта на рамповом участке станции «Проспект Рокоссовского». Именно там комплекс выйдет на поверхность и будет развернут по направлению к станции «Кристалл», для завершения строительства первого пускового участка метрополитена. В общей сложности на объекте круглосуточно трудятся около 450 человек.
Принятая в 2010 году новая концепция строительства Омского метро предполагает отказ от сооружения ряда дорогостоящих объектов, в целях удешевления строительства. предусмотрено в дальнейшем сооружение преимущественно наземных и надземных (на эстакадах) участков с использованием автоматизированного подвижного состава без машинистов. Длину платформ на станциях предлагается уменьшить со 108 до 69 метров, а подземные станции строить только мелкого заложения, без экскалаторов.