Nie ma pełnej zgodności co do daty powstania Polonii Bytom. Klub po raz pierwszy założono 4 stycznia 1920 roku w odpowiedzi na apel plebiscytowy o tworzenie polskich organizacji sportowych na Górnym Śląsku. Działalność przedwojenna zakończyła się w 1922 roku po podziale Śląska. W 1945 roku klub został reaktywowany przez dawnych działaczy i przejął tradycje, barwy oraz herb lwowskiej Pogoni.

Po wojnie Polonia szybko stała się jedną z czołowych drużyn w kraju. W 1952 roku zdobyła pierwsze mistrzostwo Polski, a największe sukcesy święciła w latach 50. i 60. XX wieku. Klub dwukrotnie sięgał po tytuł mistrza Polski (1954 i 1962), kilkukrotnie zdobywał wicemistrzostwo oraz jako pierwszy śląski klub wystąpił w europejskich pucharach. Szczególnym osiągnięciem było zwycięstwo w Pucharze Intertoto w 1965 roku oraz triumf w International Soccer League w USA.

Od końca lat 60. rozpoczął się stopniowy spadek formy. W latach 70. i 80. Polonia balansowała między ligami, choć dwukrotnie dotarła do finału Pucharu Polski. Po krótkim powrocie do ekstraklasy w połowie lat 80. klub ponownie popadł w kryzys sportowy i finansowy.

Lata 90. i początek XXI wieku to okres niestabilności, spadków do niższych lig oraz nieudanej fuzji z Szombierkami Bytom. Przełom nastąpił w 2007 roku, gdy Polonia wróciła do Ekstraklasy i utrzymywała się w niej przez cztery sezony, osiągając najlepszy wynik od dekad – 7. miejsce.

Po 2011 roku klub znów zmagał się z problemami organizacyjnymi i finansowymi, co doprowadziło do kolejnych spadków. Mimo to Polonia Bytom pozostaje jednym z najbardziej utytułowanych i historycznie zasłużonych klubów Śląska, symbolizując ciągłość tradycji przedwojennej, lwowskiej i bytomskiej piłki nożnej.