История Челябинского метро началась в 60-е годы XX века. К середине 60-х годов численность населения Челябинска увеличилась до 800 тыс. чел. и продолжала расти быстрыми темпами. Уже в то время город являлся одним из крупнейших промышленных центров страны с заводами-гигантами, на каждом из которых трудились десятки тысяч рабочих. Расположение селитебных земель города было весьма плотным, что вкупе давало высокое сосредоточение населения с появлением мощных пассажиронапряжённых коридоров. Основным городским транспортом был трамвай, на котором в качестве подвижного состава использовались маловместительные некомфортные трамвайные поезда КТМ/КТП-2. Встал вопрос о необходимости строительства скоростного транспорта, которым в то время мог стать только метрополитен.

В 1967 г. был принят разработанный Челябинскгражданпроектом третий генеральный план развития города. План предусматривал дальнейшее развитие селитебной части в сторону свободного от промышленной застройки Северо-Запада с формированием нового жилого района с населением 300 тыс. чел. и строительство домов повышенной этажности в 9–16 этажей и выше. В качестве опорного магистрального транспорта на перспективу была впервые предложена сеть метрополитена из двух линий: первая линия предполагалась вдоль главной оси города — проспекта Ленина — от Челябинского тракторного завода (ЧТЗ) через площадь Революции, далее на запад до Челябинского политехнического института (ныне — ЮУрГУ), под Шершнёвским бором в район Северо-Запада, под ул. Молодогвардейцев на север и заканчивалась у Челябинского металлургического комбината (ЧМК); вторая линия начиналась возле Челябинского трубопрокатного завода (ЧТПЗ), оттуда шла через вокзал к площади Революции, где первый раз пересекалась с трассой первой линии, далее — на север к Теплотехническому институту, откуда поворачивала на запад, в районе ул. Молодогвардейцев вторично пересекалась с первой линией и трассировалась далее вдоль просп. Победы до конца проектируемой на то время жилой застройки.

В 1971 г. московскому институту «Гипрокоммундортранс» Министерства коммунального хозяйства РСФСР было поручено выполнить проект комплексной схемы развития всех видов городского транспорта Челябинска. В рамках данного проекта «Гипрокоммундортранс» разработал новую генеральную схему развития метро, на которой оно приобретало привычный вид советской «трёхлинейки» с тремя пересадочными узлами в районе вокзала, площ. Революции и Комсомольской площади. Несмотря на внесённые позднее определённые изменения в трассировку отдельных участков, схема, в своей основе, сохраняется по сей день. 13 октября 1976 г. в Челябинске родился милионный житель, а 19 ноября того же года Госпланом СССР было направлено письмо в Совет Министров СССР и МПС о необходимости строительства Челябинского метрополитена. 11 февраля 1977 г. совместным приказом Минкомхоза и Минавтотранса РСФСР за № 50/7 комплексная схема развития городского транспорта Челябинска была утверждена.

Строительство метро в Челябинске было включено в XI пятилетний план развития народного хозяйства СССР (1981–1985 гг.). В 1982 г. московский институт «Метрогипротранс» разработал «Схему развития и размещения метрополитенов на период до 2000 г.» для 22-х городов Советского Союза. В этот список был включён и Челябинск.

Новая схема сохраняла трёхлинейную структуру с тремя пересадочными узлами: на станциях «Площадь Революции», «Проспект Победы» и на пересечении ул. Курчатова и Свердловского просп. Первая линия по-прежнему трассировалась от ЧТЗ вдоль просп. Ленина до площ. Революции, затем линия поворачивала на северо-запад, проходила под рекой Миасс и выходила на просп. Победы возле пересечения со Свердловским просп., откуда продолждалась далее вдоль просп. Победы с тремя станциями в районе Северо-Запада. На линии предполагалось строительство восьми станций: «Тракторозаводская», «Комсомольская площадь», «Площадь Революции», «Торговый центр», «Проспект Победы», «Курчатовская», «Молодёжная» и «Северо-Западная». При окончательном выборе трассы проектировщики отказались от строительства ранее предполагавшихся станций: «Проспект имени Ленина» и «Алое поле». Станция «Проспект имени Ленина» должна была находиться между станциями «Комсомольская площадь» и «Площадь Революции» — в месте, где геологическая обстановка крайне неблагоприятна из-за наличия разлома. Станция «Алое поле» предлагалась на пересечении просп. Ленина и Свердловского просп. Отказ от её строительства позволил сократить строительную длину участка и выпрямить линию.

Вторая линия начиналась от ЧТПЗ, шла до вокзала вдоль ул. Дзержинского с одной промежуточной станцией, далее — к пересадочному узлу с Третьей линией на пересечении ул. Курчатова и Свердловского просп., оттуда к Челябинскому политехническому институту, под ПКиО им. Гагарина и рекой Миасс к ст. «Проспект Победы» (пересадка на Первую линию), и далее — на север под Свердловским трактом к ЧМК с тремя промежуточными станциями.

Третья линия начиналась в районе Уфимского тракта у посёлка АМЗ, шла на северо-восток к пересадочному узлу со Второй линией с двумя промежуточными станциями, далее — к ст. «Площадь Революции» с пересадкой на Первую линию, дальше на северо-восток к ул. Бажова и заканчивалась на Бродокалмакском тракте.

В 1983 г. Южно-Уральскому тресту инженерных изысканий было дано задание начать предварительную геологоразведку трассы будущего пускового участка. В 1984 г. начались проектные работы. В связи с загруженностью «Метрогипротранса» проектирование было передано в Ленинград в институт «Ленметрогипротранс».