Расположен в 52км к западу от Владимира и 9км от города Петушки на реке Большой Липне (левый приток реки Клязьмы)
В современную городскую черту входит бывший погост Федосеев. Церковь на погосте существовала в первой половине XVII века, в 1655 году церковь Воздвижения Креста Господня была переписана из Троицких вотчин во Владимирскую десятину патриаршей области. В 1700 году на погосте была построена новая церковь, освящённая в честь того же праздника.
В 1815 году на месте прежней деревянной была выстроена белокаменная Крестовоздвиженская церковь с колокольней.
Посёлок Костерёво возник при открытой в 1890 году железнодорожной станции Костерёво. Своё название станция получила по фамилии владельцев Мишеронского стекольного завода братьев Николая Ивановича и Ивана Ивановича Костерёвых.
В 1894 году в Костерёве зажиточным крестьянином Фотием Уткиным, уроженцем деревни Максимиха Березниковской волости Судогодского уезда была организована первая мастерская по ремонту текстильного оборудования. Осенью 1905 года мастерская сгорела, вместо неё внуками Фотия Никифором и Иваном была построена новая фабрика, впоследствии выросшая в крупный катушечно-челночный комбинат. 7 января 1939 года Костерёву присвоен статус посёлка городского типа при катушечно-челночном комбинате (с декабря 1972 года комбинат технических пластмассовых изделий им. Коминтерна).
В годы Великой Отечественной войны комбинат выполнял заказы по выпуску продукции для фронта (ящики для снарядов, лыжи, корпусы мин, черенки для сапёрных лопат, одежда для солдат). В лагере станции Костерёво формировались: в сентябре 1941 года 1-я отдельная танковая бригада, 16 февраля 1942 года, за мужество и героизм преобразованная в 6-ю гвардейскую танковую бригаду; в ноябре 1941 года 31-я танковая бригада; с 3 по 30 мая 1942 года 113-я танковая бригада, 3 июня вошедшая в состав 15-го танкового корпуса; с 18 по 22 июля 1942 года формировалась 254-я танковая бригада, с 5 августа участвовавшая в составе 64-й армии в Сталинградской битве. С 1964 года в окрестностях посёлка, в военном городке Костерёво-1, дислоцировались 4-е Центральные офицерские Краснознамённые курсы зенитных ракетных войск противовоздушной обороны.
Благодаря успешному развитию градообразующего предприятия, на котором в годы его расцвета трудилось около 4,5 тыс. человек, расширялась социальная инфраструктура: в Костерёве появились первые в Петушинском районе спортивный зал, плавательный бассейн. В 1964 году построен первый многоэтажный дом в микрорайоне Полевой, с начала 1980-х годов застраивался микрорайон Центральный. В октябре 1979 года в состав посёлка Костерёво включена деревня Новая. 30 июля 1981 года указом Президиума Верховного Совета РСФСР посёлку городского типа Костерёво был присвоен статус города.