La gestación del club tiene su origen directo en los triunfos consecutivos de la selección de fútbol amateur de La Serena, que se coronó campeona nacional en los torneos de 1949, 1951 y 1954. Debido a este rendimiento sostenido, la Asociación Central de Fútbol extendió una invitación formal a la ciudad para ingresar al profesionalismo, convirtiéndose en el primer equipo del norte grande y chico de Chile en recibir este estatus. Para cumplir con los requerimientos legales y estatutarios exigidos por la asociación, la dirigencia local utilizó la personalidad jurídica del club amateur existente 'Deportivo Sindempart', el cual modificó oficialmente su denominación a Club de Deportes La Serena en la asamblea del 9 de diciembre de 1955. Con este acto administrativo, el equipo granate fue habilitado para debutar en el torneo de Ascenso (Segunda División) de la temporada 1956.
En el primer semestre de 1960, el club consiguió su primer y único título oficial de primera categoría a nivel nacional al ganar la Copa Preparación (actual Copa Chile). Bajo la conducción técnica del entrenador Francisco Hormazábal, el equipo superó las fases eliminatorias hasta llegar al partido de definición. El 1 de mayo de 1960, en el Estadio La Portada de La Serena, derrotaron en la final a Santiago Wanderers por un marcador de 4-1. El equipo titular contó con la participación de jugadores como José Sulantay y Carlos Verdejo, consolidando la presencia institucional en la máxima categoría deportiva durante esa década.
El club registra en su palmarés oficial los títulos de campeón de la Segunda División chilena correspondientes a las temporadas 1987 y 1996. En el campeonato de 1987, aseguraron el primer lugar de la tabla de posiciones con 51 puntos en 28 partidos, obteniendo el ascenso directo. Posteriormente, en el torneo de 1996, el equipo dirigido por Guillermo Yávar finalizó líder del certamen regular con 62 puntos en 30 fechas disputadas, registrando 19 victorias. En ambas campañas, el equipo logró retornar a la división de honor tras períodos de estadía en la categoría de ascenso.
Durante la temporada 2019 del torneo de Primera B, el club finalizó en la segunda posición de la fase regular. Debido a la interrupción del campeonato por factores sociales en el país, el ascenso se definió a principios de 2020 mediante una liguilla jugada en el Estadio Nacional de Santiago. El 23 de enero de 2020, bajo la dirección técnica de Francisco Bozán, La Serena disputó la final frente a Deportes Temuco. Tras un empate 0-0 en el tiempo reglamentario, el equipo granate se impuso por 4-3 en la tanda de lanzamientos penales, asegurando su retorno a la Primera División.
En el ámbito del desarrollo de infraestructura deportiva, el año 2015 marcó un hito institucional para el club al concretarse la inauguración del nuevo Estadio La Portada, recinto construido sobre los cimientos del estadio original de 1952. Las nuevas instalaciones, financiadas con recursos estatales y municipales, aumentaron el aforo a 18.500 espectadores y fueron certificadas bajo estándares internacionales de la FIFA. El estadio fue sede oficial de la Copa América 2015 disputada en Chile, acogiendo partidos de selecciones como Argentina, Uruguay y Paraguay, proporcionando un recinto moderno para la localía permanente de la institución.