Завод входил в состав Богословского горного округа. При закладке был назван Надеждинским в честь владелицы округа Надежды Михайловны Половцовой – супруги действительного тайного советника, члена Государственного Совета А. А. Половцова.

Работы по проектированию и строительству завода возглавлял известный горный инженер, главноуправляющий БГО Александр Андреевич Ауэрбах. Завод состоял из доменного, мартеновского, прокатного и обслуживающих цехов.

19 января 1896 года была получена первая сталь. 3 марта 1896 года считается днем основания завода. По размерам производства и техническому оснащению Надеждинский завод в дореволюционной России считался крупнейшим в уральской металлургии. В 1913-1930 гг завод выпускал более 20% всего производства черных металлов на Урале. Надеждинскому заводу отводилась значительная роль по обеспечению народного хозяйства высококачественными сталями.

Основной продукцией завода были железнодорожные рельсы, кровельное, сортовое железо, снарядная заготовка, а также огнеупорные изделия. В 1931 году начата прокатка круглой и квадратной заготовки разных сечений. Произошел коренной поворот в развитии завода и в изменении его специализации. Производство рельсов и кровельного железа было прекращено, и завод перешел на выпуск качественной сортовой стали для машиностроения.

В 1939 году город Надеждинск был переименован в город Серов, и заводу было присвоено имя Героя Советского Союза Анатолия Константиновича Серова, бывшего сталевара, легендарного летчика 30-х годов, погибшего на боевом посту. Более 70 лет предприятие называлось «Металлургический завод им. А.К. Серова».

Предприятие освоило выплавку и прокатку более ста различных марок стали, легированной хромом, молибденом, никелем, ванадием, титаном и стало важнейшим поставщиком металла для нужд обороны страны. В 1946 году за успешное выполнение задания государства по выпуску продукции для нужд народного хозяйства и в связи с 50-летием завод был награжден орденом Трудового Красного Знамени. В этом же году введен в эксплуатацию агломерационный цех.

В 1975 году на заводе введено в эксплуатацию новое отделение калибровочного цеха для производства нефтенасосных штанг и штанг для погружных насосов.

В 1995 году по решению экспертного совета по вопросам экономики на базе методик Комиссии ООН по промышленному развитию заводу выдан сертификат РФ, удостоверяющий статус «Лидера Российской экономики».

На ОАО «Металлургический завод им. А.К. Серова» Утверждена программа реконструкции, в основе которой – переход от мартеновского производства к электросталеплавильной технологии.

23 октября 2007 г. – Состоялась последняя плавка на мартеновской печи. Метзавод полностью перешел на электросталеплавильное производство. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от сталеплавильного производства сократились в 6 раз.

Завод приступил к реконструкции агломерационного цеха – это один из основных проектов программы природоохранных мероприятий, предполагающий установку газоочистки, которая позволит существенно снизить выбросы пыли и обеспечить удаление серы из отходящих газов.

Предприятию возвращено прежнее название – «Надеждинский металлургический завод».

В 2017 году проведены подготовительные работы для заключения договора на выполнение ТЭО реконструкции «Участка разливки, производства товарного проката и подката для СПЦ». Стартовала программа улучшения объектов соцсферы завода.

В 2018 году на заводе ведется строительство мини-ТЭЦ мощностью 24,9 МВт, которая будет обеспечивать электроэнергией все основные цеха завода за исключением электросталеплавильных агрегатов ДСП-80 и УВОС.