Le groupe est composé actuellement de deux de ses membres fondateurs, James Hetfield (chant, guitare rythmique) et Lars Ulrich (batterie), ainsi que du guitariste Kirk Hammett (arrivé en 1983) et du bassiste Robert Trujillo, qui rejoindra le groupe en 2003. Les précédents membres du groupe incluent Dave Mustaine (après son exclusion, membre fondateur de Megadeth), les bassistes Ron McGovney (uniquement pour les démos), Cliff Burton (pour les trois premiers albums ; décédé en 1986) et Jason Newsted (prenant la suite de Burton et remplacé en 2003 par Trujillo). Le groupe a longtemps collaboré avec le producteur Bob Rock, qui a produit tous leurs albums de 1990 à 2003 et est devenu temporairement le bassiste du groupe, entre le départ de Newsted et l'arrivée de Trujillo. Le groupe se forme au début des années 1980 lorsque Hetfield se rend à une annonce postée dans un journal local par le batteur Lars Ulrich.