Günstige geografische Lage von Hemau fördert Wachstum früher wie heute.
Wann genau die Stadt Hemau entstanden ist, lässt sich bislang nicht nachweisen, ebenso wenig, wie lange das Gebiet um Hemau schon besiedelt ist. Die Überreste zweier keltischer Viereckschanzen im umliegenden Gemeindebereich der Stadt bestätigen allerdings, dass sich bereits die Kelten zeitweilig hier niedergelassen haben, das Gebiet also schon sehr früh besiedelt war.
In den Chroniken ist der Ort Hemau erst seit Beginn des 12. Jahrhunderts belegt. Er liegt bei 520 m Höhenlage auf dem bewaldeten Bergrücken zwischen der Altmühl und der Schwarzen Laber an der seit dem 12. Jahrhundert bestehenden Handelsstraße Frankfurt – Würzburg – Nürnberg – Regensburg – Passau, der heutigen Bundesstraße 8. Die Entfernung nach Regensburg beträgt 27 Kilometer, nach Nürnberg 77 Kilometer.
Im Laufe der Zeit hat der Ortsname Hemau verschiedene Schreibweisen erfahren wie etwa Hembur, Hempur, Hembour, Hemwour, Hembau, Hemmau und letztendlich das heutige Hemau. Die Entstehung des Ortes wurde früher in der Bevölkerung mit dem Rittergeschlecht „Hem“ in Verbindung gebracht, deren Burg sich einst im heutigen Dorf Schacha befand. Die sterblichen Überreste zweier Fräulein aus dem Rittergeschlecht „von Hem“ sollen dereinst auf einem Hügel, dem Mönchsberg, begraben worden sein. Über ihrem Grabe errichtete man eine Kapelle, später sogar eine Kirche, um die sich viele Menschen ansiedelten; so entstand der Ort „Hembaur“. Neueren sprachwissenschaftlichen Untersuchungen zufolge weist die Ortsbezeichnung allerdings auf den Personennamen Hem(m) o hin, wobei der zweite Wortbestandteil so viel wie „Hütte, Behausung, Wohnung“ bedeutet.
Im Jahr 1109 wird Hemau zusammen mit anderen Ortsteilen, die damals bestanden, erstmals in der Chronik erwähnt. Sie gehörten allesamt zur Güterausstattung des Benediktinerklosters St. Georg in Prüfening bei Regensburg. Die Mönche dieses Klosters sollten dabei die Gebiete unterhalten, roden und nutzbar machen.
Zudem errichteten die Grafen von Hirschberg, denen Hemau als Lehen übergeben wurde, auf dem Mönchsberg eine Burg.
Bereits in der ersten Hälfte des 12. Jahrhunderts wurde die alte Handelsstraße Nürnberg-Regensburg auf den Waldrücken über Hemau verlegt. Der nunmehr steigende Verkehr begünstigte zusehends das rasche Wachstum des Ortes Hemau. In einer Urkunde vom 2. August 1273 wird Hemau noch als Markt („in foro Hembur“) angesprochen, die Bezeichnung „oppidum“ (Stadt, befestigte Siedlung) findet sich erstmals in dem Lehensbrief des Bamberger Bischofs Wulfing vom 3. Dezember 1305.
In einem Brief vom 12. März 1350 werden dem Ort die Stadtrechte erneut erteilt. Im Jahre 1470 wurde Hemau Haupt-Mautstation auf der Strecke Nürnberg-Regensburg.
Zur Zeit des 30-jährigen Krieges musste die Stadt sehr viel erdulden, die hiesige Stadtchronik weiß davon ausführlich zu berichten: Hemau und die Umgebung wurden ausgebrannt und verwüstet. Nur noch wenige Höfe waren bewohnt, die Bevölkerung völlig verarmt. Die zur selben Zeit anhaltende Pest tat ihr Übriges.
Ab 1505 gehörte Hemau zum neu geschaffenen Fürstentum Pfalz-Neuburg, bis es schließlich im Jahre 1777 unter Kurfürst Karl Theodor an das Kurfürstentum und 1806 an das Königreich Bayern zurückkehrte. Seit der Abschaffung der Monarchie im Jahre 1918 gehört Hemau zum nunmehrigen Freistaat Bayern.
Weitgehend verschont blieb der Ort von den Greueln der beiden Weltkriege, nur am 24. April 1945 marschierten amerikanische Truppen in Hemau ein.
Bis zur Gemeindegebietsreform (1972–78) erstreckte sich das Stadtgebiet von Hemau auf etwas mehr als 10 km2. Seitdem aber umfasst die Großgemeinde eine Fläche von 122 km2 und ist damit die größte Flächengemeinde des Landkreises Regensburg.
In der jüngeren Vergangenheit wuchs die Stadt erheblich und ist mit einem breiten Gürtel von Neubaugebieten umgeben. Bereits in der Nachkriegszeit sind ab 1945 zahlreiche neue Siedlungen entstanden.
Während der Gebietsreform von 1972 bis 1978 wurde der ursprüngliche „Distriktus Tangrinteles“ durch die neue Großgemeinde weitgehend wiederhergestellt.
