Eine frühe Besiedelung ist durch Bodenfunde aus der Jungsteinzeit (4500 bis 1500 v. Chr.) nachweisbar. Rautheim wird erstmals im Jahre 1031 als „Ruotnun“ in der Weiheurkunde der St. Magni-Kirche erwähnt. Der Ort lag innerhalb der im 14. Jahrhundert errichteten Braunschweiger Landwehr (1), deren südöstlicher Abschnitt im Rautheimer Wald, heute Stadtgrenze zum Landkreis Wolfenbüttel, auf etwa 1200 Meter noch sehr gut erhalten ist. Das Dorf war selbst aber nicht stärker befestigt. Im 15. Jahrhundert sind die Ortsgrenzen durch überlieferte Tornamen markiert - „Speeldor“, „Mitteldor“, „Osterdor“, „Lindendor“ und „Kreuzdor“.

Im Dorfplan von 1769 wird Rautheim als Ort mit einem Ackerhof, 14 Halbspännerhöfen, 23 Groß- und 10 Kleinkotsassen beschrieben. Diese Siedlungsstruktur änderte sich erst mit der Industrialisierung Mitte des 19. Jahrhunderts. Die Gründung der Zuckerfabrik (2) 1864 ließ die Einwohnerzahl stark anwachsen. Das Dorfbild, ursprünglich vom Erkeröder Haustyp (Wohn- und Wirtschaftsteil unter einem Dach) geprägt, veränderte sich Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Entstehen der Dreiseithöfe, die Wohn- und Wirtschaftsbereich funktional trennten.

Zeugnisse alter Bausubstanz sind die 1150 errichtete romanische Kirche St. Ägidien (3) sowie einige Hofstellen (Dorflage, Zum Ackerberg). Die 1562 erstmals erwähnte, 1961 stillgelegte Wassermühle (4) wurde in den 1970er Jahren abgerissen. Rautheim gehört seit 1974 zur Stadt Braunschweig.