Als Klotzsche erstmals im Jahr 1309 in den Urkunden erschien, war es ein Lehndorf von Bernhard II. von Pulsnitz. Ab etwa 1400 unterstand es dem Amt Dresden.

Vorgeschichtliche, unter anderem aus dem Neolithikum stammende Funde im Ortsteil Königswald belegen eine frühe Besiedlung dieses Gebietes.

Der Dorfkern Altklotzsche befindet sich im Südwesten des Stadtteils gleich neben Hellerau. Das Straßenangerdorf war im 12. Jahrhundert aus einem Rundling hervorgegangen. Vom Dorf Altklotzsche blieben einige Fachwerkhäuser, die heute unter Denkmalschutz stehen, und die Alte Kirche erhalten.

Das im Jahr 1501 erstmals urkundlich erwähnte älteste Gasthaus Klotzsches, das Erbgericht, war ein altes Erbrichtergut mit Schankgerechtigkeit. Ab 1583 diente es auch als kurfürstlicher Rast- und Pferdeausspannplatz sowie als Ausgangsort für kurfürstliche Jagden. Außerdem versorgte es eine Bierschenke an der Königsbrücker Landstraße - ein Holzgebäude, das man im Jahr 1835 zum Schänkhübel ausbaute. Nach dem Dorfbrand von 1729 versetzte man das Erbgericht vom Südostrand der Siedlung, wo der alte Fahrweg nach Dresden begann, an seinen heutigen Standort. Nach dem Zweiten Weltkrieg diente das Erbgericht zunächst als Studentenwohnheimab 1957 als Klubhaus der Flugzeugwerke.

Die beim großen Dorfbrand von 1802, der nur sieben Häuser verschonte, zerstörte Dorfkirche wurde in den Jahren 1810/11 wieder aufgebaut. Sie besitzt ein Walmdach mit einem rechteckigen Dachreiter. Zur Innenausstattung gehört ein im Stil des 18. Jahrhunderts gestalteter hölzerner Kanzelaltar mit seitlichen Pilastern und einem gesprengten Giebel. Von dem einstigen spätgotischen Flügelaltar blieben die Figuren zweier heiliger Bischöfe und einer weiblichen Heiligen erhalten. Die zweigeschossigen Emporen des Kirchenraumes bilden einen rechteckigen Emporensaal, wie er sonst eher bei Stadtkirchen des 18. Jahrhunderts anzutreffen ist.

Der Friedhof an der Alten Kirche wurde schon am Ende des 19. Jahrhunderts nicht mehr genutzt. Südlich von Altklotzsche weihte man im Jahr 1886 den Alten FriedhofPfarrhufe, entstand im Jahr 1932 der Neue Friedhof. Auf dem Alten FriedhofKarl Gjellerup (gest. 1919), der Begründer der Deutschen Werkstätten für Handwerkskunst und der Gartenstadt Hellerau Karl Schmidt (1873-1948) und der Kunstmaler Georg EstlerNeuen Friedhof die namhafte Malerin und Buchillustratorin Gertrud Caspari (gest. 1948).

Dem Dorfbrand von 1868 fielen 22 Gebäude zum Opfer. Einige der Bauern, die ihre Höfe verloren hatten, schufen sich südöstlich vom Dorf neue Anwesen. An der Königsbrücker Landstraße entstand ein Bauerngehöft, das man wegen zweier alter Linden, die auf dem Grundstück standen, Li ruhen unter anderem der dänische Dichter und Nobelpreisträger (gest. 1954), auf dem ndenhof nannte.