杜克大學於1838年創建，開始為布朗學院的校舍，屬於布朗學院的壹個分校，位於倫道夫縣（三位壹體鎮），由教士Brantley York所領導的循道宗信徒和貴格會信徒所管理。
1841年，北卡羅來納州授予學校作為聯合學術機構的特權。
1851年，學校改名為師範學院，隸屬循道衛理教會。
1859年，因受到衛理公會教堂的捐助而改名為三壹學院(Trinity College)，校訓是“知識和宗教。
1878年，瑪麗，皮爾斯，特裏薩吉爾成為學校第壹批被授予學位的女性。
1881年宋嘉澍（英文名Charlie），也就是中國近代歷史上宋氏家族的創始人，成為學校的第壹個國際學生。
1892年，三壹學院因受到慈善家朱利安·卡爾和煙草大亨華盛頓·杜克先生的捐助，從三壹鎮遷至達勒姆的新校區。其中朱利安·卡爾主要捐贈了地皮，即杜克大學的原址，也就是東校區。華盛頓·杜克先生於1892年捐贈了$85,000的現金，主要負責對新校址建築施工的援助，並在此之後，分別於1896年，1899年，和1900年各追加了$100,000的現金捐贈，用於學校的學術研究。
1924年，華盛頓·杜克的兒子詹姆斯·杜克捐贈了壹筆高達4千萬美元的捐款成立杜克基金，用以贊助他的家鄉達勒姆市周圍多所高等教育機構與醫院的營運。也列在受饋名單的三壹學院董事長威廉·普萊斯登·富堅持學校應該改名為杜克大學以感謝杜克家族的善心，在詹姆斯·杜克的同意之下，學校改名為今杜克大學。
學校於1925年至1927年期間重修了東校區，並在1930年開始修建哥特式建築風格的西校區。其中最著名的建築是耗資二百三十萬美元杜克大教堂（Duke Chapel），從1930年開建至1935年建成。教堂是由朱利安·阿倍勒，美國最早的著名非裔建築師設計，可以容納約1600人。教堂高210英尺，為達勒姆市的最高建築物之壹。
1942年，杜克大學承辦了唯壹壹次在洛杉磯市之外的NCAA玫瑰碗總決賽（美國大學橄欖球思大碗之首）。學校還在二次大戰中承辦了為美國海軍訓練人才的V-12 Navy College Training Program項目。
1952年正式教職員工參與大學治理與大學校董會成立壹個高層次的咨詢委員會。
1983年建立婦女研究計劃。
1986年該校男子足球隊勝杜克大學的第壹個NCAA冠軍。
2010年1月22日，杜克大學在中國江蘇省昆山市開工建設杜克昆山大學(DKU)，目的為創建壹個獨立法人地位的世界壹流研究型綜合大學，主攻精英教育和前瞻科研。昆山市政府斥巨資為DKU的順利啟動提供了優越的物質條件。2012年8月17日，中國教育部發出行政許可：由杜克大學、昆山市政府、武漢大學三方合辦的昆山杜克大學正式獲準籌建，但武漢大學將不具備對DKU的管理權。學校將於2014年正式授課。