ראשיתו של הקיבוץ בקבוצה של שישה חלוצים מבוגרי 'השומר הצעיר' ברומניה שעלו לארץ בשנת 1925, התיישבו בנהלל והחלו לקלוט חברים נוספים מהתנועה ברומניה. הקבוצה שכונתה 'קיבוץ השומר הצעיר ג'' הלכה וגדלה. חברי הקבוצה קיבלו הכשרה ב'קיבוץ השומר הצעיר ב'' (משמר העמק) ועבדו בסלילה ובעבודות נוספות. בחיפוש אחר עבודה נדדו והגיעו בשנת 1929 לבת גלים שבחיפה, שם עבדו בעבודות נמל ובנין. כבר בשלב זה התבלטו שנים מחברי הקבוצה, יצחק בן-אהרן, לימים מראשי תנועת העבודה בישראל, וישראל גלר, לימים מראשי 'הקיבוץ המאוחד'.

בראשית 1930 התפלגה הקבוצה לראשונה. חלק מהחברים נשארו ב'קיבוץ הארצי' והקימו מאוחר יותר את קיבוץ מעברות. 31 הנותרים הצטרפו ל'קיבוץ המאוחד'. הם התאחדו עם קבוצת 'רצון' מתנועת 'תכלת לבן' מצ'כוסלובקיה וקלטו קבוצה של חברי 'נוער צופי חלוצי' (נצ"ח) מאוסטריה. בהמשך הצטרפו קבוצות נוספות מתנועת 'תכלת לבן' מצ'כוסלובקיה. בשנת 1932 עברו חלק מחברי הקבוצה לחדרה, כדי  להתקרב למקום ההתישבות המיועד, ועסקו בעבודות חקלאיות כהכשרה להתיישבות.

ב-14 ביולי 1932 עלתה קבוצת חלוץ על הקרקע בעמק חפר והחלה בהכשרת המקום למגורים, נחפרה באר והוקמו צריפים ראשונים. עד סוף 1933 עברו למקום כל החברים מחיפה ומחדרה וכן הצטרפה גם קבוצת עולים מגרמניה. המתיישבים עסקו בייבוש הביצות באזור, בהדברת היתושים, בעבודה בפרדסי האזור ובעבודות בניין בקיבוץ. בעקבות רצח חיים ארלוזורוב ביוני 1933 החליטו חברי הקיבוץ לקרוא ליישוב שלהם על שמו כאות תודה על עזרתו להקמת היישוב.

המבנים הראשונים שנבנו בקיבוץ היו מגדל מים, מאפייה, בית ילדים, רפת, חדר אוכל, מקלחת ובתי מגורים. לקיבוץ הצטרפה קבוצה נוספת על עולים מפולין. בקיבוץ התנהלה פעילות תרבותית עשירה, שכללה תזמורת, מקהלות, צוותי נגינה קאמריים, חוג דרמה,  תיאטרון בובות ועוד. היתה פעילות ספורטיבית בתחומים שונים: התעמלות מכשירים, שחייה, כדורעף, כדורגל שחמט. בתחילת שנות ה-40 נחנכה בקיבוץ בריכת השחייה הראשונה בהתיישבות העובדת. בשנת 1946 נחנך בקיבוץ אולם הספורט הראשון בהתישבות העובדת.

בשנת 1940 הוקם בקיבוץ מפעל 'גת' לשימורי פירות וירקות, למיצים ולריבות. מפעל זה היה למקור הכנסה חשוב לקיבוץ. הוקמו גם נגריה גדולה ומפעל לחביות עץ 'חבתניה', היחיד מסוגו בארץ באותה תקופה. ענפי החקלאות העיקריים היו: רפת, עופות, לול, מכוורת, פרדס, גן ירק, משתלת עצי פרי, כרם ומטעים.  

בקיבוץ גבעת חיים היה בסיס למחלקות פלמ"ח. ב-25 בנובמבר 1945, בעקבות פיצוץ תחנת משטרת החופים בגבעת אולגה, כותר הקיבוץ על ידי הצבא הבריטי. כאלפיים מתנדבים באו מכל רחבי הארץ לעזרת הקיבוץ הנצור. מירי הכוחות הבריטיים על הנצורים ועל המתנדבים שניסו לפרוץ את המצור נהרגו שמונה ונפצעו עשרות. ב-29 ביוני 1946, ב'שבת השחורה', ערכו הבריטים חיפוש נשק בקיבוץ. שמונה עשר מחברי הקיבוץ נלקחו למעצר בלטרון. לאחר מלחמת העצמאות נוספו לקיבוץ אדמות נטושות מצידו הצפוני.

בשנת 1952 בעקבות הפילוג ב'קיבוץ המאוחד' התפלג גם קיבוץ גבעת חיים. אנשי הרוב, תומכיי מפ"ם (730 חברים מתוך 1,070), נשארו בקיבוץ הישן שנקרא מאז  'גבעת חיים מאוחד'. המיעוט, אנשי מפא"י ובלתי מפלגתיים, עזבו את הקיבוץ והקימו את 'גבעת חיים איחוד' על גבעה סמוכה. הרכוש המשותף חולק בין שני הקיבוצים. מפעל 'גת' נשאר בבעלות משותפת וכן הוחלט שלא לפלג את סניף 'הפועל' המקומי. בתחילת שנות ה-70 החל שיתוף פעולה בין הקיבוצים בנושא החינוך. תלמידי התיכון בשני הקיבוצים החלו ללמוד בתיכון האזורי המשותף לקיבוצי האזור. בשנות ה-90 עברו גם תלמידי היסודי ללמוד במרכז חינוכי משותף בעמק חפר. מאז הקמת התנועה הקיבוצית המאוחדת (התק"ם), נמצאים שני הקיבוצים במסגרתה של תנועה קיבוצית אחת.