Selle koht vastab tõenäoliselt 4. sajandi Rooma linnusele nimegaDuacum. Alates 10. sajandist oli linnFlandriakrahvide romaani vasall. Linnast saikeskajal õitsev tekstiilituru keskus, ajalooliselt tuntud kui Douay. 1384. aastal läksFlandria krahvkondBurgundia hertsogite valduste hulka ja 1477. aastal Habsburgidele.
1667. aastal vallutasid DouaiLouis XIV väed ja 1668. aastaAacheni rahuga loovutati linn Prantsusmaale. Järjestikuste piiramiste ajal 1710–1712 hävitas Briti armee Douai peaaegu täielikult. 1713. aastaks oli linn täielikult Prantsusmaasse sulandatud. Douaisse asusParlement de Flandres.
Douai sattusEsimeses maailmasõjas vaenutegevusse ning 1918. aastal põletas linna osaliselt ja vabastas Briti armeeCourtrai lahingu järel. Teine maailmasõda tõi Douaile ka märkimisväärset kahju. Linn on ikka veel piirkonna transpordi- ja ärikeskus, mis oli kuni 1960. aastateni tuntud oma Põhja-Prantsusmaa rikkaima söevälja poolest.
KohalikLa Brayelle'i lennuväli oli väga oluline Prantsuse lennunduse ajaloos. See tegutses 1907. aastast 1950. aastate keskpaigani. 1909. aastal oli see maailma esimese lennundusalase kohtumise koht ja Esimese maailmasõja okupatsiooni ajal oli seeManfred von Richthofeni (Punane parun) baas.
Douai kaunistatud gooti stiilis kellatorni alustati 1380. aastal varasema torni kohas. 80 m kõrgune struktuur sisaldab muljetavaldavatkariljoni, mis koosneb 62kellast ulatusega 5 oktaavi. Originaalid, mõni aastast 1391, eemaldati 1917. aastal Esimese maailmasõja ajal okupeerivate Saksa vägede poolt, kes kavatsesid need metalliks sulatada. Need pandi 1924. aastal pärast remonti tagasi, kuid 47 neist asendati 1954. aastal parema heli saavutamiseks. Veel üks suurem kell ülaosas,La nimega "Joyeuse", pärineb 1471. aastast ja kaalub 5,5 t.Kellamäng heliseb mehhanismi abil igal veerandtunnil, kuid neid mängitakse kaklaviatuuri abil laupäeva hommikuti ja muul ajal. 2005. aastal arvati kellatornUNESCO maailmapärandi nimistusse.
MärkimisväärnePorte de Valenciennes linnavärav, jäänuk linna endisest sõjalisest tähtsusest, ehitati 1453. aastal. Üks külg ehitati gooti stiilis, teine klassikalises stiilis.
