社伝によれば、1062年（康平5年）、源義家が奥州からの凱旋の途中、この地に兜と太刀を納め、八幡神を祀ったという。
1636年（寛永13年）、ここに的場が造られ[1]、この八幡宮を守護神とした。
1641年（寛永18年）、宮守の庵を造るため、社僧良晶が南側の山裾を切り開いていると横穴が見つかり、中から金銅の御神像が現れた[2]。掘った人は「芽出度い」と大喜びし、以来、「穴八幡宮」と称するようになった。3代将軍徳川家光は、この話を聞いて穴八幡宮を幕府の祈願所・城北の総鎮護とした。
歴代将軍がたびたび参拝し、8代将軍徳川吉宗は、1728年（享保13年）に世嗣の疱瘡平癒祈願のため流鏑馬を奉納した。流鏑馬はその後も世嗣誕生の際や厄除け祈願として奉納され、穴八幡宮に伝わる「流鏑馬絵巻」には1738年（元文3年）に奉納された竹千代（後の10代将軍徳川家治）誕生祝の流鏑馬が描かれている。
江戸の庶民からも信仰を集め、特に蟲封じの祈祷は有名だった。1879年（明治12年）には皇太子（後の大正天皇）の御蟲封祈祷も行っている。
1945年（昭和20年）の東京大空襲で、建物の多くを焼失。
1961年（昭和36年）、御鎮座900年事業として本殿再建工事を開始。
1989年（平成元年）、引き続き幣殿、拝殿工事を行う。
1998年（平成10年）、隨神門を室町時代の様式で再建す、なお境内全域を古書を基に未だ再建途中。
また冬至の「一陽来復」[3]のお守りでも知られる。お守りを受け取れる期間は毎年冬至の日から翌年節分の日までであり、冬至の日は特別に午前5時から受け取る事ができる。
なお、現在同神社は旧別当の放生寺[1]と日本キリスト教団早稲田教会と隣接しており、神道、仏教、キリスト教が街の一角で共存している状態が続いている。五木寛之の著作には、早稲田大学第一文学部に入学したばかりの五木が、穴八幡の床下で寝ていて追い出された、という記述がある。
