Außerhalb des Ortes in der Flur Wolfkehle fanden sich Reste einer Siedlung der Urnenfelderzeit (1300 bis 800 v. Chr.). Hingegen ließen im Ort Spuren römischer Bauten feststellen. Der Name des Flusses Metter ist durch einen in Bietigheim aufgefundene Skulptur mit Sockel mit der Aufschrift: „Collegio Matiosonensium“ überliefert.
Für 1161 ist der Ort erstmals sicher nachweisbar („Cimberen“). Im Mittelalter waren die Klöster Odenheim (1161) und Rechentshofen (14./15. Jh.) begütert. Die Ortsherrschaft gehörte den Herren von Sachsenheim als Lehen von den Grafen von Vaihingen (seit 1360 Württemberg). Die Lehensrechte fielen dann 1471/81 und 1561 an Württemberg zurück. Bis in das 19. Jahrhundert war Mettterzimmern von einer schon für das 12. Jahrhundert nachweisbaren massiven Ettermauer mit drei Toren umgeben.
Eine eigene Kirche erhielt es vor 1379, diese gotische evangelische Pfarrkirche mit kreuzgewölbtem Ostchorturm wurde 1905 durch Blitzschlag zerstört und durch Heinrich Dolmetsch 1906 im Jugendstil neu erbaut.
Der Dreißigjährige Krieg brachte schwere Schäden, die Bevölkerungszahl sank von 250 (1634) auf 80 (1655) Personen und von den Gebäuden stand nur noch die Hälfte. Der Einfall der Franzosen im Jahr 1693 verursachte große Schäden. Von 1746-1760 war der bedeutende Pädagoge Johann Friedrich Flattich Pfarrer in Metterzimmern.
Obwohl keine Industrieansiedlung stattfand veränderte sich im beginnenden 20. Jahrhundert das Bauerndorf in ein Arbeiterdorf; viele Bewohner Arbeit in Bietigheim, Ludwigsburg und Kornwestheim. 1912 wurde Metterzimmern Bahnstation. Bei den Wahlen zeigten sich die SPD und die KPD als sehr stark. 1930 entschied sich der Ort zur Eingemeindung nach Bietigheim.
Nach dem Übergang zu Württemberg kam Metterzimmern in das Amt Sachsenheim und 1808 in das Oberamt Bietigheim (1810 Besigheim), seit 1938 Landkreis Ludwigsburg.