Основан как шахтёрский посёлок в 1952 году. В первое лето 1952 года было построено два финских дома, четыре барака, небольшой магазин, баня, хлебопекарня, столовая. Первую улицу нового поселка назвали именем Ленина. Исполком Козельского райсовета предлагал назвать поселок сначала Октябрьским, а в декабре 1953 года — Ленинским. 27 января 1954 года Козельский райисполком, а 19 марта Калужский облисполком приняли решение об образовании рабочего поселка Ленинский. Но по каким-то причинам 5 апреля 1954 года Калужский облисполком принимает новое решение «О регистрации вновь возникших населённых пунктов в Лев-Толстовском, Сухиничском и Козельском районах». Этим решением новому поселку присваивается наименование Шепелевский. Но уже через несколько дней, 10 апреля 1954 года, принятое решение корректируется, и поселок получает новое имя — Сосенский.
В августе 1953 года в Сосенском была открыта средняя школа. Работала вечерняя школа рабочей молодёжи. В 1957 году в посёлке открывается горно-строительный вечерний техникум. Параллельно со строительством шахт в 1956 году строится клуб «Горняк» (первоначально назывался «Шахтостроитель»), поликлиника, а годом позже дом быта.
К началу 1980-х верхние слои залежей угля выработались, Черепетская ГРЭС(Тульская область) начинает понемногу отказываться от сосенского угля. В конце восьмидесятых шахты стали закрываться.
Вторую жизнь поселку дал приказ министра общего машиностроения от 11 июля 1968 года «О строительстве филиала Московского завода научно-исследовательского института автоматики и приборостроения». Стройка началась с учебного корпуса ГПТУ, а с 1973 года в цехах стали устанавливать производственное оборудование и прошёл первый набор студентов в училище. 15 сентября 1975 года выходит приказ министра общего машиностроения об образовании завода как самостоятельного юридического лица. Завод был ориентирован на выпуск продукции оборонного характера и товаров народного потребления. За счёт приезжающих со всех уголков СССР специалистов, население Сосенского увеличилось в несколько раз. Строились новые микрорайоны, открывались детские сады. В декабре 1986 года был сдан в эксплуатацию культурно-спортивный комплекс «Прометей», а в 1987 году распахнула двери вторая школа.
16 декабря 1991 года указом Верховного Совета РСФСР Сосенскому был присвоен статус города.