İstanbul'un tarihi, coğrafi durumu ile çok yakından ilgilidir. Şehirde daha tarih öncesi çağlara ait bir takım yerleşim bölgeleri olduğu tespit edilmiştir. 1942 - 1952 yılları arasında Kadıköy çevresindeki Fikir Tepesinde yapılan kazılar sırasında M.Ö. 3.000 yılına ait bir takım aletler, iskeletler bulunmuştur. Bu durum İstanbul'un Asya kıyılarında o çağlarda insanların yaşadığını açıkça ortaya koymaktadır. Rumeli tarafında da kazılar yapılacak olursa buralarda da çok eski çağlardan kalma çeşitli kalıntılara rastlanacağı sanılmaktadır.
Bugünkü İstanbul şehirlerinin çekirdeğinin yani Haliç'in güneyinde kalan parçanın ilk sakinleri Trak'lardı. Fenikeliler ise Kadıköy'ünde yerleşmişlerdi. Bilindiği gibi Traklar Hint-Avrupa Fenikeliler ise Sami ırklarındandır. Yunanlılara göre; Yunanistan'ın Megara şehrindeki Byzas'ın yönetimindeki bir Yunanlınlar kafilesi M.Ö. 658'de bugünkü Srayburnu'na gelip yerleştiler. Bundan sonraki yüzyıllarda şehir yavaş yavaş ikinci derecede bir liman ve ticaret şehri olmaya yüz tuttu. Roma egemenliği altında iç bağımsızlığını koruyan bu ticaret şehri, ancak M.S. II. yüzyılda bir Roma sitesi oldu.
İmparator Konstantin, 325'te yeni ve büyük bir şehir yapımına girişti.11 Mayıs 330'da bu şehir kesin olarak Roma'nın yerine dünya imparatorluğunun başkenti oldu. Daha Konstantin devrinde şehrin nüfusu 200.000'i geçti. Fakat birkaç milyonluk Roma'nın kalabalıklığına ve büyüklüğüne erişmekten uzak bulunuyordu. 395'te imparatorluk ikiye ayrılınca İstanbul Doğu İmparatorluğu' nun başkenti oldu. Justinianus devrinde yani VI. Yüzyılda nüfusu milyonu aştı, dünyanın en büyük şehri haline geldi. VII. Yüzyılın sonundan başlayarak Bağdat nüfusu, büyüklüğü ve zenginliği bakımından İstanbul'u geride bıraktıysa da , şehir hiçbir zaman milyonu aşan nüfusunu kaybetmedi. Ancak Latinler' in işgalinde bu büyük nüfus dağıldı.
Asya'da ki imparatorluklarının yıkılması üzerine Avrupa'ya gelen ve bu kıtanın en büyük kısmında olan Hun Türklerinin hakanı Atilla, 447'de Büyükçekmece'ye kadar geldi; fakat Bizans'ı yıllık bir vergiye bağladıktan sonra geri döndü. Hun' lardan sonra gene Asya da ki imparatorluk tahtını kaybeden Avar (Apar) Türkleri Avrupa'ya geldiler ve 616'da İstanbul'un önlerine kadar ilerlediler. 626 yılında Avarlar'ın şehri kuşatması, tarih boyunca Bizans'ın karşılaştığı en önemli tehlikelerden birini meydana getirdi. Kadıköy ve Üsküdar tarafından da İranlılar (Sasaniler) bu kuşatmaya katılıyorlardı. Büyük şans esri olarak Bizans bu kuşatmayı ağır şartlarla atlattı.
İslam dinin ortaya çıkmasından sonra Arapların başlıca hedeflerinden biride İstanbul oldu. 668-669 kuşatması gelecekteki halife Yezid'in başkomutanlığı altında yapıldı. 665'te Bizans donanmasını yok eden İslam donanması bu kuşatmaya açık bir kapı hazırlamıştı. Bu sefere Peygamberin bayraktarı Halid İbni Zeyd (Ebu Eyyubu'l-Ensari) ve Peygamberin birçok arkadaşı katıldı. Bu kuşatmadan bir sonuç çıkmayınca Halife Muaviye, 673-674'te şehri bir kere daha karadan kuşattırdı. Araplar Kapıdağı yarımadasında üslenerek tam yedi yıl sefer mevsiminde İstanbul önlerinde göründüler. Fakat bileşimi yalnız Bizanslılar tarafından biline "Rum Ateşi" yüzünden bir sonuç çıkmadı. 713-714'te tekrar Prens Mesleme, tekrar İstanbul'u kuşattı. Bu kuşatma Bizans'ı yıkılma tehlikesiyle yüz yüze getirdi. Arapların şehri alması ve Avrupa'ya hakim olması bir gün meselesi sayıldı. Fakat İmparator Leon'un enerjisi durumu kurtardı. Bu kuşatma Avrupa tarihinin dönüm noktalarından biri sayılır.781'de gelecekteki halife Harunureşid'te şehri kuşattı; fakat yıllık vergi karşılığında geri çekildi.
Bundan sonra Bulgar Türkleri, İstanbul için en büyük tehlike teşkil etti.813'te Kurum Han, Bizans ordusunu Edirne meydan savaşında yok ettikten sonra, şehri kuşattı. Fakat kat kat surlarının ululuğu ve dayanıklılığı Bizans'ı gene kurtardı. 1090'da başka bir Türk topluluğu, Peçenekler Çekmece'ye kadar geldiler.
Malazgirt'ten birkaç yıl sonra Selçuklu Türkleri Üsküdar'a kadar geldiler ve İznik'i Türkiye'nin başkenti yaptılar; fakat Avrupa'ya geçemediler. Birinci Haçlı seferi Bizans'ı Selçuk Türklerinden kurtardı. Ve Bizans'ın Türkler tarafından fethini 3,5 yıl geriye itti.
16 Nisan 1204'te, Bizans'ı Türklerin elinden kurtarmak emeliyle hazırlanan Haçlı Seferinin dördüncüsü, özellikle Bizans'a yöneldi. Şehrin heybeti ve zenginliği karşısında gözleri kamaşan fakir Avrupalılar, İstanbul'u şiddetli bir savaştan sonra aldılar. Tarihte ilk defa olarak şehre barbarlar egemen oldular. Milyonluk şehir en müthiş yağma, katil ve saldırılarla karşılaştı ve zenginliğinin büyük kısmını kaybetti. On binlerce elyazması yakıldı. Kiliseler son şamdanlarına kadar yağmalandı. On binlerce İstanbullu kılıçtan geçirildi. Kadınlar saldırıya uğradı. Bütün bu hareketlere yalnız savaşçılar değil, Latin Rahipleride katıldı. İznik'e sığınan Bizans İmparatorluğu başkentini Latinler'in elinden almak için amansız bir mücadeleye girişti. Latinler İstanbul'da bir imparatorluk kurdular ve tahtı bir Fransız Hanedanına verdiler. Sonunda 1261'de Paleologoslar'ın idaresindeki Bizanslılar İstanbul'dan Latinleri kovdular. İmparatorluğun başkenti İznik'ten tekrar İstanbul'a nakledildi. Fakat bu dönemde şehrin nüfusu tahminlere göre yarım milyondan da aşağıya düşmüştü. Bununla beraber -İspanya'da ki Arap şehirleri hariç- Avrupa'nın en büyük şehri idi. Bu devre kadar Hıristiyan Avrupa'da hiçbir şehrin nüfusu 150.000'i aşmamıştır.
Bundan sonra Bizans, Osmanlı Türkleri ile karşı karşıya kaldı. Daha sonra Orhan bey Üsküdar'a geldi. İmparator ile pek sıkı ilişkiler kurdu. 1390 baharında Orhan Gazi'nin torunu Yıldırım Bayezit, şehri kuşattı fakat ağır vergi karşılığında kuşatmayı kaldırdı. Yıldırım'ın İstanbul'u almak azim ve kararı kesindi. Ancak Timur olayı bu fethi yarım yüzyıl geride bıraktı. 1396'da Türkleri Avrupa'dan sürmek ve Bizans'ı kurtarmak için gelen bütün Avrupa devletlerinin kuvvetlerinden meydana gelmiş büyük Haçlı ordusunu yok eden yıldırım Anadolu Hisarı'nı yaptırdı ve 1397'de şehri kuşattı. Fakat kuşatma savaşına girmedi; büyük Türk birliklerini şehre bağlamak istemedi. Uzun süren bir abluka ile Bursa gibi İstanbul'un da boyun eğip teslim olacağını düşündü. Bizans bu durumdayken Timur, 1402'de Yıldırım'ı yendi.
Yıldırım'ın oğlu Musa Çelebi, 1411'de İstanbul'u kuşattıysa da alamadı. Yıldırım'ın torunu II. Murat'ın 1422'nin 15 haziranından 24 ağustosuna kadar süren pek şiddetli savaşlara sahne olan kuşatması, artık şehrin son günlerini yaşadığını gösterdi. Anadolu'da bir ayaklanma olması, Bizans'ı bu defada kurtardı. Fakat II. Murat'ın oğlu II. Mehmet, şehri almayı hemen hemen bir sabit fikir haline getirmişti. 29 Mayıs 1453'te İstanbul'u alarak Ortaçağ'a son verdi.