15—20万年前，长沙地区开始有人类活动。约7000年前，长沙开始形成村落。约2400年前的春秋战国时期楚国于长沙建城。一直到今天，城址一直未变，古代的部分道路甚至与今天所在位置的街巷依然重合。
不同的历史时期，长沙曾有“临湘”、“潭州”古称；唐宋和明清时期的长沙，其经济和文化为其历史上最为繁荣的时期。“长沙”之名有据可查的最早见于《逸周书·王会》关于贡品“长沙鳖”之说，距今3000多年。商周时期的宁乡县炭河里遗址出土的四羊方尊等青铜器反映了当时的长沙地区与中原有一定的联系。长沙约有2400年建城史，在春秋战国时期始建城，属楚国。“长沙，楚之粟也。”楚成王时设置黔中郡，长沙为其辖域。秦始皇统一中国，长沙郡为秦36郡之一，这是长沙以中国行政区划名称载入史册的开始。两汉时期，长沙为长沙国的都城。东汉初期废“长沙国”改立为“长沙郡”。
三国和西晋时期，长沙为郡治，属古荆州。西晋后期和南北朝时期，长沙为郡治和湘州制所。
隋前期撤郡，长沙为潭州总管府；后期改州为郡，长沙又为长沙郡郡治。唐朝时设潭州治所，曾属江南道、江南西道。唐朝五代时期的长沙窑，曾兴盛一时，成为釉下彩的发源地。五代十国时期长沙为楚国国都，这也是唯一以长沙为都城建立的国家。
宋时长沙为潭州治所。北宋设岳麓书院，将长沙的文化和教育推向鼎盛时期。元朝1274年时改为潭州路，湖广行省治所。1281年仍为潭州路，湖南道宣慰司治所，隶属湖广行省；元文宗天历二年因“天子临幸”而改名天临路，元末改潭州府治所。明初改为长沙府治所，隶属湖广布政使司。清朝康熙三年建“湖南省”，长沙同为长沙府府治和湖南省治。明清时长沙有四大米市和四大茶市之称，为中国最重要的米市之一。
清朝末年，曾国藩成为“湖南第一人”，当时的长沙府涌现出中国历史上重要的人物，如曾国荃、左宗棠、胡林翼等消灭太平天国，发动洋务运动，收复新疆等，对晚清的中国造成深远的影响。清朝末年到民国初期，长沙成为重要的政治和革命活动地。戊戌变法的陈宝箴、谭嗣同，在长沙兴办时务学堂。之后自立军起义、华兴会、公祭陈天华和姚宏业、浏萍醴起义、抢米风潮，都是很有影响力的活动。黄兴在清朝末年进行了一系列的反清活动，为中华民国的建立作出了重大贡献。
1911年10月22日，焦达峰、陈作新为首的起义新军光复长沙。
1915年，曾就读于时务学堂的蔡锷发动了护国运动。
1919年，长沙派送大批五四青年赴法勤工俭学，长沙也是共产主义小组的成立地之一。毛泽东、何叔衡、任弼时、蔡和森、向警予等一批中共早期领导人都在长沙读书或者从事政治活动。
1927年毛泽东发动秋收起义，并试图攻打长沙；失败后他转向了“农村包围城市”的现实方针。
1933年长沙县、市分治，设长沙市，为湖南省辖市，长沙一直作为湖南省会至今。
1938年11月13日，发生文夕大火，长沙城自春秋战国以来的文化积累、地面文物毁灭到几近于零。
1941年到1943年，长沙沦为战场，成为国民革命军第九战区指挥部所在地。日军曾经为了长沙不惜代价发动3次长沙会战及长衡会战，由此可见长沙的重要性。
1949年8月5日，长沙正式建立共产党政权，中华人民共和国建国后长沙开始重建与发展。长沙作为中华人民共和国主要创始人之一的毛泽东早期读书和从事革命活动的地方，被认为是革命圣地。
1949年8月至1958年，只辖市、郊，没有辖县；
1959年以后为管县时期，有辖县；
1949年8月，长沙市辖8区：城东区、城南区、城西区、城北区、文艺区、金盆区、岳麓区、会春区，下辖82保、1838甲。
1950年8月，废除保甲制度。
1955年10月，东、南、西、北4区建306个居委会、2909个居民组，区名去掉“城”。
1957年内4区辖26街道（东区6、南区5、西区8、北区7），275居委会，2766居民组；郊区辖7乡1镇，44村。
1958年9月，农村撤消乡镇，建立人民公社，郊区建万年红、东风、岳麓3个公社，18个大队；城区辖4区、25街道、233居委会、2731居民组。
1958年12月，长沙县、望城县划归长沙市管辖。
1959年2月，撤消郊区。3月，长、望两县合并称长沙县，属长沙市领导。长沙市辖25街道5镇26个公社、227居委会、2489居民组。
1977年12月，恢复望城县建置，将长沙县分为长沙、望城两县。
1978年底，长沙市辖5区2县，16县辖区，84公社6镇，29街道，1132大队，308居委会。
1983年2月，浏阳、宁乡、湘阴划归长沙市管辖，湘阴县随即划归岳阳地区。
1984年2月，长沙市辖4县1郊的人民公社先后改为同名的乡（镇）。
1993年1月，浏阳撤县改市。
1995年7月辖县（市）撤区并乡建镇，长沙市辖5区3县1市，38街道67镇53乡，648居委会3091村。
1996年，辖区区划调整，撤销郊区，设立芙蓉、天心、岳麓、开福、雨花5区。
2002年底，长沙市辖5区3县1市，54街道79镇39乡，568居委会2727村。
2007年，长沙市辖5个区：芙蓉区、天心区、岳麓区、开福区、雨花区，4个县(市)：长沙县、望城县、宁乡县、浏阳市。各区、县(市)共辖83个镇，比2006年增加3个，2007年共31个乡，53个街道。各镇、乡和街道共辖村1258个，社区566个，与2006年相同。
2008年，望城县坪塘、含浦、莲花、雨敞坪四镇划归岳麓区，雷锋镇由望城县委托长沙高新技术开发区管理，同年八月长沙县榔梨镇韶光社区居委会正式划归芙蓉区东岸乡管辖。至此长沙市城区面积由573平方千米变为975平方千米。
2011年7月，望城撤县改区，成为长沙市城区，长沙市城区由975平方千米增至1938平方千米。
2015年1月14日，长沙县暮云街道、南托街道划入天心区，长沙县跳马镇划入雨花区。
至此，长沙市城区面积增加至2185千米。
改革开放初期的1980年代，长沙经济开始和沿海城市的差距逐步加大；1990年代后期，长沙开始进入快速发展时期，成为中西部重要的中心城市。
