Detroitba költözése után Leland már saját vállalkozást vezetett: öntvényeket, autómotorokat és karosszéria-alkatrészeket gyártott. A Detroit Automobile Company támogatói hamarosan fel szerették volna számolni a céget, Leland javaslatára azonban megalapították a Cadillac Motor Car Company-t, amelyet Detroit város alapítójáról, La Sieur Antoine de la Nothe Cadillac-ről neveztek el. Néhány hónap alatt készült el első autójuk, a Model A, amelyet 1903 januárjában kiállítottak a New York-i Autószalonon.

Míg a Model A nagyszerű első próbálkozás volt, az 1905-ös Model D hozott igazi elismerést a Cadillac számára. A négyhengeres motorral hajtott ötüléses túrakocsi karosszériája fából készült, de felárért alumínium lemezeket is lehetett rendelni. 1908-ban három Cadillac nevezett a Dewar Trophy versenyre, amely abban az időben az egyik legnagyobb autós rendezvénynek számított. Elsőként használtak cserélhető alkatrészeket, így mindhárom autót teljesen szét tudták szerelni, majd összerakni, ezzel könnyedén nyerték meg az ötszáz mérföldes (800 km-es) túraversenyt.

Az 1908-as esztendő más esemény miatt is fontos a Cadillac számára: a General Motors ajánlatot tett a cég megvételére. 1909. július 29-én 5 969 200 dollárért került a márka a GM tulajdonába, majd az elnök William C. Durant megkérte a Lelandokat, hogy továbbra is ők irányítsák a céget. Körülbelül ekkortájt alakult meg a Fleetwood Metal Body Company, akik az igényes vásárlók - többnyire filmszínészek - számára készítettek egyedi karosszériákat olyan autók alapjaira, mint a Pierce-Arrow, Packard, és Cadillac.

Az önindítót 1912-ben mutatták be először a Cadillac modelleken, könnyebbé téve az autóvezetők életét, akik a továbbiakban már mellőzhették a kurblizást. A márka később másodszor is elhódította a Dewar Trophyt, ezúttal az elektromos gyújtásrendszerért.

1920-1930
1922-re a Cadillac éves termelése túllépte a 20 ezres darabszámit. Ez főként a Type 61-es modell bemutatásának volt köszönhető, amelyet már ablaktörlővel és visszapillantó tükörrel is felszereltek. A húszas években a formatervezésben is új irányzat kezdődött Harley Earl hatására, aki 1927-ben külön részleget nyitott a GM-en belül erre a célra, Art and Colour Section néven. A GM korábbi vezető formatervezője, David Holls szerint "1927 előtt a Cadillac egy derék, megbízható autó volt. 1927 után már stílusos és elegáns is."

Earl első munkája a Cadillacnél a kisebb, stílusos LaSalle megalkotása volt 1927-ben. A General Motors kínálatában a Buick és Cadillac közötti piaci rést kitöltő modell a márka sportos, jól vezethető típusaként volt ismert, hasonlóan a mai Cadillac Caterához. A LaSalle az 1927-es Indianapolis 500 felvezető autója volt, és nem utolsó alkalommal kapott ilyen szerepet egy Cadillac: 1931-ben a Model 370 V12, 1934-ben és 1937-ben szintén egy LaSalle, majd 1973-ban egy Eldorado, míg 1992-ben egy Allante vezette fel a versenyautókat.

Kezdeti évében a LaSalle tizenegyféle karosszériával, kétféle tengelytávval, valamint a hosszabb, 125 inches tengelytávra négyféle Fleetwood-karosszériával volt kapható. A LaSalle kupékon külön ajtó nyílt a golfzsákok elhelyezésére. Újabb Cadillac-fejlesztés jelent meg 1929-ben: a szinkronizált erőátvitel, amellyel a vezetőknek nem kellett kétszer kuplungolni váltáskor, hogy elkerüljék a fogaskerekek összeakadását.

1930-1940
A harmincas évek Cadillac-je a klasszikus amerikai luxust testesítette meg. A V12-es és V16-os motorok bemutatásával a márka mind teljesítmény, mind mérnöki munka terén elismertnek számított az autóiparban. Az Owen Nacker által tervezett tizenhat hengeres a legdrágább Cadillac modellek kiváltsága volt, melyeket 1930-tól már vákuumos, rásegítős fékekkel is kínáltak. Az automata sebességváltón már 1932-től dolgoztak a cég mérnökei, míg 1933-ban megjelentek a független első felfüggesztések a Cadillac tesztpéldányain, hogy a következő évben a GM teljes palettáján alapfelszereltségnek számítsanak.

Az akkor mindössze 24 éves Bill Mitchell tervezte az 1938-as Cadillac 60 Special-t. A LaSalle-nál nagyobb autó vékony, krómozott ablakkereteivel keltett feltűnést, stílusa a következő tíz évre meghatározóvá vált a presztízsautók között. Olyan luxusmodell volt, melyet sofőr helyett inkább a tulajdonos vezetett.

1940-1950
1941-től a Cadillac már sorozatgyártású autóin is bemutatta az automata sebességváltót, megjelent a légkondicionáló, és az üzemanyagtöltő nyílás is csendesen megbújt a bal hátsó lámpatest alatt. 1942 februárjában a cég leállt a személyautók gyártásával, hogy csatlakozzon a háborús iparhoz. Mindössze 55 nap kellett, hogy az első, két Cadillac V8-assal és automata váltóval szerelt tank elhagyja a detroiti üzemet, ezt később újabb tankok és a V12-es Allison repülőgép-erőforrás alkatrészei követték. Még Douglas MacArthur szolgálati autója is Cadillac volt, egy Series 75-ös.

A háború után a Cadillac autói ismét elfoglalták korábbi helyüket a piacon. Az 1948-as modellek elsőként viseltek oldalsó "szárnyakat", melyeket a Lockheed P-38-as vadászgép ihletett. Harley Earl valósággal beleszeretett ezekbe a formákba, így nem várt sokat, hogy autóin is megvalósítsa. Az új divat annyira terjedt, hogy a kereskedők gyakran háttal a kirakatnak parkolták le autóikat a szalonokba, és éjjelre rajtahagyták a világítást. Az egyedi reklámtábláknak számító hátsó a következő évtizedre az autóipar meghatározó formatervezői irányzatává vált.

1949-ben a Cadillac bemutatta új V8-as motorját, amely könnyebb, kisebb és takarékosabb volt elődeinél, ezzel a márka típusait Amerika leggyorsabb személyautóivá tette. Az évtized végén Briggs Cunningham egy széria Cadillac-kel abszolút tizedik helyet ért el a Le Mans-i versenyen. A Coupé DeVille 1949-ben mutatkozott be, és elnyerte a neves Motor Trend újság első alkalommal kiosztott "Év autója" díját.

1950-1960
A márka legkiemelkedőbb modelljei az ötvenes években hagyták el a futószalagokat. 1950 júniusában a Fortune magazin felmérése azt kutatta: olvasói milyen autót vennének? A Cadillac magasan nyerte az összesítést, sőt a "legjobb formájú" és "legnagyobb értékű" címeket is megszerezte. 1952-ben ünnepelték a márka ötvenedik évfordulóját, melynek tiszteletére számos különleges kiadású modellt készítettek. Az év technikai újdonsága az alapfelszereléssé váló szervokormány volt.

1953-ban jelent meg az Eldorado, az első háború utáni luxusmodell, az A-oszlopokra hajló különleges szélvédőkkel, bőr kárpitozással, krómozott küllős kerekekkel és adáskeresős rádióval. Az 1954-es modellévre új lökhárítók és négy irányba elektromosan állítható üléseket szereltek be, míg az 1957-es Eldorado Brougham már igazi egyedi luxuscirkálónak számított. Frontrészét az új, négyes fényszórók határozták meg, míg keret nélküli ablakos, B-oszlop nélküli, középről nyíló ajtóival mind előre, mind hátulra könnyű volt a beszállás. Felszereltségét képezték továbbá az alacsony profilú abroncsok, automatikusan nyíló és záródó csomagtartófedél, légrugózás, klímaberendezés, de még egy kis üveg Arpege parfüm is. Polírozott rozsdamentes acél tetejével az Eldorado Brougham máshoz nem hasonlítható remekműnek számított.

Az egy évtizede még újdonságnak számító farokszárny kezdett túlzásba fulladni: az 1959-es Cadillac hátsóját már egy vadászrepülőgép is megirigyelhette volna. A márka rajongói ezt az évjáratot máig az ötvenes évek álomautójával egyesítik.

1960-1970
A hatvanas évek közepére a túldíszített szárnyak lassanként eltűntek, a Cadillac pedig elkészítette hárommilliomodik autóját. 1962-ként a márka típusai elsőként kínáltak irányjelzőket és kétkörös fékrendszert, míg az automata légkondicionáló 1964-ben, a fűthető ülések 1966-ban jelentek meg. 1967-re mutatta be a Cadillac a teljesen áttervezett, fronthajtásos Eldoradót, amely 1968-ra már 472 köbinches (7,7 literes), 1970-re pedig 500 köbinches (8,2 literes) V8-assal működött.

1970-1980
A hetvenes években az utasbiztonság és környezetvédelem is feltűnt a Cadillac szempontjai között. A károsanyag-kibocsátás csökkentésére 1971-től magas oktánszámú helyett hagyományos benzinnel is üzemeltek a márka típusai, míg 1975-re tulajdonosaik ólommentest is tölthettek katalizátoros Cadillac autóikba. 1973-ban energiaelnyelő lökhárítókat, míg 1974-től légzsákokat szereltek be. Az ötmilliomodik Cadillac 1973 júniusában készült el, ekkor a cég évente már legalább 300 ezer autót készített. Reagálva az energiaválságra a Seville 1975 májusában jelent meg, kompakt külsővel, takarékos befecskendezős motorral, de még mindig tágas utastérrel.

Az Egyesült Államok kétszázadik évfordulójára 1976-ban a Cadillac különleges nyitott tetős Eldorado modelleket készített: a fehér autókat piros-kék csíkozással és emblémákkal díszítette ki. Az 1979-es fronthajtású Eldorado négy független felfüggesztést és elektronikus befecskendezős V8-ast kínált, hossza rövidebb volt elődeinél, de nagyobb utas- és csomagteret kínált.

1980-1990
Az 1980-as Seville már az Eldoradóval osztozott közös padlólemezen, formaterve egyedinek számított az amerikai modellek között. A nyolcvanas évekre a gazdasági helyzet rendeződni kezdett, így a luxusautók iránt is megnőtt a forgalom. 1984-ben összesen 320 017 darab Cadillac kelt el, és ebben az esztendőben a nyitott tetős Eldorado is visszatért a kínálatba, igaz mindössze 2000-es limitált példányszámban.

A kétajtós kabrió Allante 1987-es bemutatkozásakor igazi kuriózumnak számított. Karosszériáját az olasz Pininfarina készítette, majd a kész elemeket Boeing 747-esek szállították Detroitba, hogy összeszereljék a hajtáslánccal, így a világ leghosszabb futószalagja 3300 mérföld (5300 km) hosszú volt… Ebben a Cadillac modellben mutatkozott be elsőként a kipörgésgátló és a Northstar erőforrás. Az évtized végén, 1989-ben a DeVille és Fleetwood cirkálókon a márka összes jellegzetes formatervezési jegye megtalálható volt.

1990-2000
1992-ben az Eldorado és Seville új generációinak bemutatkozásával nemzetközi elismertségre tettek szert, utóbbi típus elnyerte a Motor Trend magazin "Év autója" címet. 1993-ban a Fleetwood Brougham újult meg, és a hagyományt folytatva ismét az elnök hivatalos autójává vált. 1996-ban a 300 lóerősre izmosított Northstar erőforrás, míg a következő esztendőben a StabiliTrak stabilitási rendszer és további biztonsági felszerelések kerültek a DeVille Concours, Eldorado Touring Coupé és Seville STS modellekbe. Az Opel Omega műszaki alapjaira épült Catera 1997-ben, a friss Seville 1998-ban, míg a legújabb generációs DeVille 1999-ben jelent meg. Ezt már a Cadillac új stílusirányzata követte, amely az 1999-es Evoq tanulmányautóval vette kezdetét. Az éles, határozott vonalakat a tanulmányautók sorában a Vizón, Imaj és Cien, míg a szériagyártású típusok között a Catera-utód CTS, az Evoq-ból valósággá vált XLR és a bemutatásra váró SRX terepjáró folytatja.