Σύμφωνα με γραπτές μαρτυρίες η περιοχή είχε κατοικηθεί ήδη από τα μέσα του 19ου αιώνα, ίσως και νωρίτερα. Επί Τουρκοκρατίας ονομαζόταν Κατήκιοϊ ή Καδήκιοϊ, επειδή πιθανότατα ήταν έδρα του τοπικού δικαστή (Καδή ή Κατή). Η ελληνική ονομασία «Βαθύλακκος» δεν έχει εξακριβωθεί πότε άρχισε να χρησιμοποιείται, αλλά μάλλον αποκτήθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα, διότι από γεωμορφολογική άποψη είναι σαν βαθύς λάκκος που βρίσκεται μεταξύ λόφων.
Η περιοχή ελευθερώθηκε το 1912 από τους Τούρκους και προσαρτήθηκε στην Ελλάδα το 1913 με τη συνθήκη του Βουκουρεστίου. Το 1918 συμπεριλήφθη στην κοινότητα Μπουγαριέβου που αργότερα μετονομάστηκε σε κοινότητα Καραβίας (σημερινή Νέα Μεσήμβρια), στην οποία εξακολουθούσε να υπάγεται έως το 1930. Το 1921 υπήρχαν λίγες οικογένειες Ελλήνων από τη Βόρεια και Ανατολική Θράκη και είχε ιδρυθεί διτάξιο Δημοτικό Σχολείο.
Μετά τη «Μικρασιατική Καταστροφή του ΄22» και μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1920 πρόσφυγες από το Σεβντίκιοϊ της Σμύρνης κυρίως (περίπου 150 οικογένειες), αλλά και από άλλες περιοχές της Δυτικής Μικράς Ασίας, όπως το Αλή-Αγά και το Αράπ-Τσιφλίκ Μενεμένης, το Κολ-ντερε Μαγνησίας, το Τσεσνίρ Προύσας, τη χερσόνησο της Ερυθραίας κ.α. αφού περιπλανήθηκαν σε διάφορα μέρη της Ελλάδος κατέληξαν στο Βαθύλακκο.
Ερχόμενοι αντίκρισαν έναν τόπο αφιλόξενο, ακαλλιέργητο, γεμάτο αγκύλες (σύμφωνα με μαρτυρίες των παλαιοτέρων). Ας σημειωθεί, ακόμη, ότι οι παλαιοί κάτοικοι είχαν, ήδη, εγκαταλείψει τον οικισμό, πριν τον ερχομό των προσφύγων, αφήνοντας πίσω μερικά πλινθόκτιστα σπίτια. Επιπροσθέτως, υπήρχαν και μερικές παράγκες, που είχαν εγκαταλειφθεί από στρατιωτικούς μετά τον Α΄ Παγκόσμιο Πόλεμο και η εκκλησία του Αγίου Νικολάου, που αποτέλεσε τον πυρήνα του νέου προσφυγικού οικισμού και σύμφωνα με αρχαιολογικές μελέτες χρονολογείται από το 2ο μισό του 18ου αιώνα.
Το στοιχείο που τους προσέλκυσε ήταν το ιδανικό κλίμα που ευνοούσε την καπνοπαραγωγή, η οποία αποτελούσε την κύρια ασχολία των περισσοτέρων και συνέβαλλε στην οικονομική ανάπτυξη του τόπου για πολλές δεκαετίες.
Σήμερα ο Βαθύλακκος υπάγεται στο νέο Καλλικρατικό Δήμο Χαλκηδόνος και σύμφωνα με την απογραφή του 2011, αριθμεί 2316 κατοίκους.
Πηγή: Μορφωτικός – Πολιτιστικός Σύλλογος Σμυρναίων – Μικρασιατών Βαθυλάκκου