Le chat Chartreux est l'une des races félines les plus anciennes, dont les origines se situent vraisemblablement dans les régions montagneuses de Turquie et d'Iran. On pense qu'il fut importé en France depuis l'Orient par des croisés de retour de Terre Sainte.
Les premières mentions de chats bleu-gris en France remontent au XVIe siècle. En 1558, le poète Joachim du Bellay écrivit un poème intitulé Vers Français sur la mort d'un petit chat, évoquant son chat gris. Cependant, le nom « Chartreux » n'apparaît qu'en 1723, quand Jacques Savary des Brûlons le mentionne dans le Dictionnaire universel de commerce. On trouve une autre référence au chat Chartreux dans le Systema Naturae de Linné en 1735, qui le décrit comme Catus coeruleus (chat bleu), le considérant comme une espèce distincte.
À l'époque moderne, l'élevage du Chartreux débuta dans les années 1930 grâce à Christine et Suzanne Léger, qui commencèrent à élever des chats bleus sur l'île française de Belle-Île-en-Mer. Leur chatte Nora fut déclarée « le plus beau chat Chartreux du monde » lors de l'exposition de Paris. À la même époque, un élevage de chats bleus se développa dans la région du Massif Central français, caractérisé par quelques différences physiques et une corpulence plus robuste par rapport à ceux d'origine atlantique.
Après la Seconde Guerre mondiale, le nombre de chats Chartreux et de chats de race British Shorthair bleus diminua drastiquement. De nombreux croisements furent alors effectués entre les deux races, jusqu'à ce que la FIFe (Fédération Internationale Féline) décide de créer un standard unique commun pour le Chartreux et le British. Cependant, dans les années 1970, grâce aux efforts de Jean Simonnet et d'autres éleveurs français, la FIFe considéra à nouveau les deux races comme distinctes, interdisant tout croisement ultérieur.
En Italie, les premiers chats Chartreux furent introduits par Giorgio Tonelli. Après de minutieuses recherches en France, il fit venir en Italie Cervin et Electron de Labelrousse. En 1988, de leur union avec Caterina di Gioel, naquit la première portée italienne de Chartreux.