Els primers vestigis de població humana a Barcelona es remunten al primer neolític en un jaciment al carrer de la Reina Amàlia, amb un habitatge complet, les tombes d'un adult i un infant,[22] i altres restes finals del neolític (5000 a 4500 aC). D'aquest període podem destacar la necròpolis, situada a Sant Pau del Camp, així com les estructures en pedra de processament d'aliment i una tomba infantil al jaciment del carrer Riereta.
Dels segles VII a VI aC n'està documentada l'existència de poblats de les tribus laietanes (ibers). Sembla que en aquesta època també hi hagué una colònia grega (Kallipolis), tot i que hi ha discrepàncies entre els historiadors sobre l'emplaçament exacte. Els cartaginesos l'ocuparen durant la Segona Guerra Púnica i després s'hi van establir els romans.
En sentit estricte doncs, sembla que la ciutat de Barcelona va ser refundada pels romans a finals del segle I aC, sobre el mateix assentament ibèric anterior, on ja s'havien instal·lat des de l'any 218 aC, i la varen convertir en una fortificació militar, anomenada Iulia Augusta Paterna Faventia Barcino, que era situada sobre l'anomenat Mons Taber, una petita elevació on avui es troba el barri de la catedral i la plaça de Sant Jaume. Al segle II fou emmurallada per ordre de Claudi. L'obra de la construcció de la muralla romana de Barcelona va anar a càrrec de Caius Coelius, segons diu una llosa trobada a Montjuïc al segle XIX. A principis del segle III la població de la Barcino romana s'estimava entre 4.000 i 8.000 habitants. Al segle IV les muralles van ser reformades augmentant el seu gruix i alçada, i incorporant entre 75 i 78 torres de defensa. Aquestes muralles foren operatives durant uns mil anys fins a l'ampliació de Jaume I.
Al segle V Barcelona fou ocupada pels visigots d'Ataülf (any 415), provinents del nord d'Europa i hi van instal·lar la cort per un breu període de temps. El 531 Amalric hi fou assassinat. Posteriorment al segle VIII, fou conquerida pel valí Al-Hurr ath-Thaqafí i s'inicià un període de gairebé un segle de domini musulmà amb el nom de Madinat Barshaluna, fins a la Conquesta de Barshiluna pels carolingis l'any 801 que la convertiren en la capital del Comtat de Barcelona i la incorporaren a la Marca Hispànica. La potència econòmica de la ciutat i la seva situació estratègica van fer que els musulmans hi tornessin el 985 comandants per Almansor que saquejà la ciutat.[23] Posteriorment Borrell II emprengué la reconstrucció el 985 i donà pas al període comtal
Diversos pergamins medievals del segle X, parlen d'Ardena, una població a l'actual Avinguda Diagonal, entre les Corts i Sarrià.
Barcelona, a mitjan segle XI, va esdevenir un important centre comercial, on confluïa una bona part de la producció agrícola dels voltants per a ser comercialitzada. Alhora, la ciutat era també un actiu centre del comerç de la sal i de productes de l'artesania local com el cuir, les armes, els teixits de llana, les peces de corall, etc. Els avenços en els sectors productius, el fet de despertar dels intercanvis amb Tolosa, Llemotges i París, i amb les fires de Saint-Denis i del nord d'Itàlia,[cal citació] etc. i, en definitiva, l'obertura al món, van transformar els costums dels diferents estaments socials i els espais d'hàbitat i treball.
La ciutat medieval de Barcelona va esgotar l'espai intramurs i va obligar la creació de ravals o barris extramurs com: el del Pi, al voltant de l'església de Santa Maria, entre la porta del Castell Nou i la torrentera de la Rambla; el raval dels Arcs Antics, situat entre el Portal Major del Castell Vell i el torrent de Merdançar, on restaven testimonis dels arcs de l'aqüeducte romà i se celebrava el mercat; el raval de Santa Maria del Mar, entre la porta del Regomir i el port; i el raval de Sant Pere de les Puelles, creat al nord-est de la ciutat, al voltant del monestir. L'activitat urbanística es desenvolupà també al Pla de Barcelona, amb la creació de pobles suburbans com Sant Andreu de Palomar, Sant Genís dels Agudells, Sant Gervasi, Sarrià, etc.
A partir del segle XIV la ciutat inicià una etapa de decadència que es perllongaria durant els segles següents. L'extinció del Casal de Barcelona i la posterior unió dels regnes de Castella i Aragó, oficialitzada amb el matrimoni entre Ferran d'Aragó i Isabel de Castella, va generar tensions entre castellans i catalans que arribaren al seu moment més crític amb l'esclat de la Guerra civil catalana, més tard i també com a conseqüència, la Guerra dels Segadors entre 1640 i 1651, i posteriorment, amb la Guerra de Successió Espanyola d'entre 1706 i 1714, que comportà un setge de la ciutat i la seva capitulació, cosa que comportà l'abolició de les institucions pròpies de Catalunya. al mateix temps també dugué a la destrucció de bona part del barri de la Ribera per a la construcció de la ciutadella militar amb finalitats repressives.
Cap a finals del segle XVIII, Barcelona inicià una recuperació econòmica que fa afavorir la progressiva industrialització al següent segle, i amb motiu de l'estada el 1802 durant els mesos d'octubre i novembre de Carles IV d'Espanya i la seva esposa Maria Lluïsa de Parma, que celebraven la doble boda del Príncep d'Astúries i la Infanta Maria Isabel amb prínceps italians, es van executar nombroses obres d'infraestructura.
El 1888 Barcelona va organitzar la seva primera Exposició Universal, gràcies a la qual urbanitzà una gran extensió de terreny que comprenia des del Parc de la Ciutadella fins a la Barceloneta, i va millorar les infraestructures a tota la ciutat. Barcelona llavors aprengué que l'organització de grans esdeveniments internacionals no només li facilitava la urbanització de la ciutat, sinó que li reportava multitud de visitants i projecció internacional.
Al llarg de la segona meitat del segle XIX, coincidint amb el projecte del 1854 d'enderrocament de les muralles que envoltaven la ciutat, es va procedir a incorporar les altres poblacions del pla de Barcelona. Així es van incorporar a la "Gran Barcelona" les poblacions de Gràcia, Sant Gervasi de Cassoles, les Corts, Sants, Sant Andreu de Palomar i Sant Martí de Provençals, això va permetre a la ciutat poder aplicar llurs projectes d'Eixample i de desenvolupament de la indústria, fet que li va permetre arribar al segle XX com una de les urbs capdavanteres de l'Espanya del moment.
Socialment, a finals del segle XIX, els barcelonins van viure en primera persona la proliferació de noves formes de vida, oci i relacions socials que tenien en l'esport i la pràctica de l'activitat física la seva màxima expressió. En els darrers anys del segle la ciutat va veure néixer una gran quantitat de clubs de natació, tennis o futbol que tindrien una gran importància, en el segle XX, en la vida social dels barcelonins, i en la projecció exterior de la ciutat. Clubs com el FC Barcelona (fundat el 1899), el RCD Espanyol (fundat el 1900) i el Real Club de Tenis Barcelona o el Club Natació Barcelona aconseguiren una gran popularitat a la ciutat, i van convertir Barcelona en la gran capital de l'esport espanyol de principis del segle XX. El 1904, el barri d'Horta es va annexionar a Barcelona, i el 1921 Sarrià.
El 1929 es va tornar a organitzar una Exposició Universal, gràcies a la qual es va urbanitzar tota la zona de plaça d'Espanya, i es van construir pavellons on ara hi ha la Fira de Barcelona. L'exposició del 1929 també va ser el pretext per construir el metro, inaugurat inicialment el 1924, i ampliat el 1926 amb el servei del "Metro Transversal" entre la Bordeta i Catalunya (actual L1), que unia el centre de la ciutat amb el recinte de l'exposició, a Plaça Espanya i Montjuïc.
L'estiu de 1936 Barcelona estava preparada per celebrar l'Olimpíada Popular, per la qual cosa s'havia construït l'Estadi Olímpic Lluís Companys i es van fer remodelacions a la muntanya de Montjuïc. Però l'esclat de la Guerra civil espanyola el mes de juliol provocà que no es pogués celebrar.
A la ciutat es va viure un procés revolucionari pel qual la CNT i la UGT van fer col·lectivitzacions d'empreses i serveis. L'autoritat del Govern de la República i la Generalitat de Catalunya era teòrica, controlant de forma efectiva els carrers i els anarquistes. La situació dels civils a la ciutat es va tornar insostenible a causa del fet que les col·lectivitzacions van provocar una davallada crítica de la producció i abastiment d'aliments i béns materials. Per exemple, segons el coronel Rojo, tot i l'enorme despesa en la producció militar a Catalunya (en mans anarquistes), l'organització industrial va ser "incapaç de produir un simple fusell, metralladora o peça d'artilleria."[26] La repressió política i social per part dels anarquistes va ser ofegadora tant entre els antics propietaris de negocis, religiosos i els considerats "burgesos", així com entre socialistes, republicans de centre i comunistes.[27] Tots els edifcis religiosos (esglésies, convents, monestirs, etc.) van ser clausurats i molts saquejats. Durant la guerra no es van permetre les celebracions religioses a excepció dels serveis pel govern a l'exili basc. Escamots anarquistes van aterrar la ciutat entre l'estiu del 1936 i 1937.[28] A partir dels Successos de Maig, els anarquistes va ser expulsats del poder i la seva la influència baixà. El Partit Comunista va convertir-se, llavors, en la força hegemònica en el govern de la ciutat i Catalunya, reprimint a la vegada a anarquistes.
George Orwell, comentà sobre la Barcelona d'aquells dies a Homenatge a Catalunya: «Per primer cop a la meva vida, em trobava en una ciutat on la classe treballadora portava el timó. Quasi tots els edificis, qualsevol que fos la seva mida, estaven en mans dels treballadors i coberts amb banderes vermelles o amb la bandera vermella i negra dels anarquistes; les parets ostentaven la falç i el martell i les inicials dels partits revolucionaris; quasi tots els temples havien estat destruïts i les seves imatges, cremades. Per totes les parts, quadrilles d'obrers es dedicaven sistemàticament a enderrocar esglésies. A tota botiga i a tot cafè s'hi veien cartells que proclamaven la seva nova condició de serveis socialitzats; fins els netejabotes havien estat col·lectivitzats i les seves caixes estaven pintades de vermell i negre. Cambrers i dependents miraven al client cara a cara i el tractaven com un igual. Les formes servils i fins i tot cerimonioses del llenguatge havien desaparegut. Ningú deixa "senyor", o "don" i tampoc vostè; tots es tracta de «camarada» i «tu», i deien "salut!" en lloc de "bon dia". » — George Orwell, Homenatge a Catalunya
Durant la guerra, Barcelona va ser bombardejada diverses vegades per l'aviació italiana que donava suport a les tropes franquistes. El suport de la ciutat a les forces republicanes li costà car, no només durant els tres anys de guerra, sinó durant els trenta-sis anys següents de règim franquista, que el 26 de gener de 1939 ocuparen la ciutat ja en la darrera fase de la guerra.
Després d'una postguerra dura Barcelona, inicià una fase de desenvolupament compulsiu i especulació exacerbada sota el mandat de l'alcalde Josep Maria de Porcioles i Colomer; així va ser com la totalitat del pla de Barcelona, que encara mantenia certa herència del seu passat agrícola i rural es va urbanitzar en grans barris dormitoris plens dels immigrants procedents d'Espanya.
La creixent immigració de la postguerra va comportar l'aixecament de grans poblats de barraques a tot Barcelona, que acollien una població d'unes 100.000 persones.
Recuperada la democràcia amb la mort de Franco emprengué un nou desenvolupament cultural i urbanístic amb un creixent protagonisme de la societat civil, que l'han dotat de grans infraestructures consolidant una metròpoli cosmopolita i moderna, molt atractiva per al turisme. En aquesta darrera etapa s'hi han celebrat els Jocs Olímpics de 1992 i el Fòrum Universal de les Cultures l'any 2004.