На карті в 1840 позначене село Іллїнка, що поділялося на дві частини: південна — Іллінка, північна — Дебальцевка.
Назва пов’язана зі статським радником Іллею Дебольцовим з Вороніжа, якому царський уряд віддав Іллінку за участь у придушенні повстання декабристів. Згодом село отримало другу, неофіційну назву — Дебольцівка. Саме так її було підписано на картах XIX століття. Коли 1 грудня 1878 року відкрилося регулярне сполучення між станціями Донецької кам’яновугільної дороги (Катерининської залізниці), її будівельники назвали нову станцію, розташовану на північних околицях маєтка Дебольцова, Дебальцеве. А поруч з нею виникло однойменне селище, що поклало початок сучасному місту.
У 1896 неподалік від станції зведений механічний завод. Це підприємство виготовляло металеві мости, естакади, поворотні кола, залізні крокви, резервуари й інші вироби, так необхідні будівельникам залізниць. Поруч із заводом утворене робітниче селище.
У 1897 населення перевищило 2 000 осіб. В роки промислового підйому чисельність населення швидко збільшувалася, тому що розгорнулася масштабна реконструкція Дебальцевського залізничного вузла. Була побудована нова сортувальна станція з західним і східним напрямками, що формувала більш 500 000 вагонів на рік.
У 1905 спалахнуло Дебальцевське збройне повстання під керівництвом більшовиків, яке було придушене царськими військами.
Для ремонту і промивання паровозів у 1905—1908 побудовані два депо — Схід і Захід. Розширилися вагонні майстерні.
У 1911 населення Дебальцевого склало 20 000 осіб. У селищі не було водопроводу, брукованих вулиць. Працювали дві невеликі лікарні, амбулаторія, церковноприходська, земська і залізнична школи.
Збільшилися виробничі потужності механічного заводу, що став у 1925 машинобудівним. Крім залізничних мостів тут розпочали робити шлаковози, чугуновози, гідропреси.
