1956年、それまで春・秋の年2回、持ち回りで開催されてきた全国争覇競輪（現 日本選手権競輪）が、年間最高位選手決定戦という意味合いから年1回（10月）開催となり、開催場も後楽園競輪場に固定されることになった。それに代わる春の祭典として、川崎、大阪中央、名古屋という当時の三大競輪場の持ち回りの特別競輪として新設されたのが「全国オールスター争覇競輪」である。
記念すべき第1回は1956年5月に川崎競輪場で開催された。
その後、大阪中央競輪場が廃止になったことにより岸和田競輪場での開催となった1964年の第9回大会から「オールスター競輪」と名称を改め、1972年に大垣競輪場で開催された第15回大会より全国各競輪場の持ち回りとなり、開催月も秋へと移った。
2005年名古屋競輪場で行われた第48回大会からは、従来の6日制を5日制に改め、前半3日間を準決勝進出を賭けたポイントを争う予選としたが、2009年度の見直しにより、第52回大会（松山競輪場）から勝ち上がり方式がポイントによるものから通常開催同様の着位によるものに改められ、1着者が準決勝を経ずして決勝進出が可能となる「シャイニングスター賞」が創設された。その後、平成23年度については概定番組の見直しをし「シャイニングスター賞」出走者は失格等がない限り、準決勝に全員が進出できるよう変更となった。
オールスター競輪の大きな特徴としてファン投票の結果が「ドリームレース」として反映されることが挙げられる。ファン投票上位9名のメンバーで対戦するドリームレースは第17回大会1974年から、オリオン賞レースは第30回大会1987年から実施されている。
2013年京王閣競輪場で行われた第56回大会から、ガールズファン投票上位7名によるガールズケイリンコレクションが実施された。2017年からオールスター競輪時に開催するガールズケイリンコレクションは、「ガールズドリームレース」（ファン投票第1位～第7位）、「アルテミス賞レース」（ファン投票第8位～第14位）の2レースが実施されている。
第64回大会2021年からナイター6日制での開催となった。