מייסדי הקבוצה הם חברי שתי הכשרות מגוייסות של פלמ"ח: הכשרת רמת דוד והכשרת רמת יוחנן. הכשרת רמת דוד הורכבה מבוגרי 'התנועה המאוחדת' מקרית חיים, חיפה, טבריה ותל-אביב. חברי ההכשרה קיבלו הכשרה ברמת דוד, גויסו לפלמ"ח בקיץ 1947 והשתתפו בקרבות  מלחמת העצמאות במסגרת יחידות שונות. רוב חברי ההכשרה שוחררו מהפלמ"ח באוגוסט 1948  במטרה להקים את יזרעאל כישוב משלט. חלקם המשיכו בשירותם הצבאי  והצטרפו לקיבוץ מאוחר יותר לאחר השיחרור.

הכשרת רמת יוחנן השתייכה לתנועת 'הנוער העובד' והורכבה מבוגרים ובוגרות של ארבעה בתי ספר חקלאיים: 'מקווה ישראל', 'כדורי', חוות הלימוד בנחלת יהודה וחוות 'תלפיות' ירושלים. חברי ההכשרה קיבלו הכשרה ברמת יוחנן, גויסו לפלמ"ח באוגוסט 1947, השתתפו בלחימה במלחמת העצמאות ושוחררו באוגוסט 1948 במטרה להקים  את יזרעאל כישוב משלט. לקראת עליה על הקרקע התאחדו שתי ההכשרות. 

ב-20 באוגוסט 1948 עלתה הקבוצה על הקרקע באדמות הכפר זרעין, החולש על עמק יזרעאל. הכפר נכבש בליל ה-29-28 במאי 1948 על ידי כוחות מחטיבת 'גולני' מידי 'צבא ההצלה' העיראקי. תפקידם של המתישבים היה למנוע פלישה חוזרת של 'צבא ההצלה' שעדיין נמצא בסמוך. במקביל לשמירה החלו המתישבים להקים את הקבוצה ואת המשק.

ביוני 1950 עברה הקבוצה לנקודת הקבע על גבעת יזרעאל הסמוכה. למייסדים הצטרפו השלמת 'תל גזר' של 'הנוער העובד' (1950), חברים מגרעין של 'התנועה המאוחדת' (1951), גרעין 'כנרות' של 'התנועה המאוחדת' (1954), גרעין 'הגליל' של 'התנועה המאוחדת' (1957) וכן מצטרפים יחידים מהארץ.

בשל התנאים הקשים במקום היו עזיבות רבות של החברים. בשנת 1956 הגיע המשבר לשיאו כשבקיבוץ נותרו 40 חברים בלבד והיו ספקות לגבי המשך קיומו. ההתאוששות החלה בשנת 1958 כשהחלו להיקלט בקיבוץ גרעינים מתנועת 'הבונים' מדרום אפריקה ומאוסטרליה, אשר תרמו לייצוב הקיבוץ והשפיעו על אופיו. במהלך השנים הצטרפו לקבוצה גרעינים נוספים של 'הנוער העובד', 'הנוער העובד והלומד' ו'התנועה המאוחדת' וכן גם משפחות וחברים בודדים מהארץ ומחו"ל.

בשנת 1968, במטרה להרחיב את אפשרויות הפרנסה, הוקם בקיבוץ מפעל אלקטרוניקה. בשנת 1969 הוחלט על מעבר ללינה משפחתית ובכך היה קיבוץ יזרעאל לחלוץ בנושא זה. באמצע שנות ה-80 פקד את הקבוצה משבר כלכלי חמור ביותר שגרם לעזיבת חברים רבים, חלקם בעלי תפקידים מרכזיים. בשנת 1985 הוקם מפעל 'מיטרוניקס'. בשנות ה-90 בזכות הצלחת מפעלי התעשיה, התאושש הקיבוץ מבחינה כלכלית וחברתית. בישוב נקלטו עולים מחבר העמים וחניכי נעל"ה מחבר העמים.

ענפי המשק כיום הם תעשיה (מפעל 'מטרוניקס' ליצור רובוטים לניקוי בריכות, מפעל 'תמוז' לזיווד מתכת, מפעל IDL לפתרונות חימום תת-רצפתיים), חקלאות (גידולי שדה, מדגה, רפת, לול, מטעי שקדים) ועסקים קטנים. קיבוץ יזרעאל משתייך לזרם השיתופי בתנועה הקיבוצית וממשיך לפעול לפי עקרונות השוויון, השיתוף והעזרה ההדדית המאפיינים את הקיבוץ המסורתי.