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，2000多年前的道路甚至与今天所在位置的街巷依然重合，故此长沙成为中国历史上最长时间在同一地址建城的城市之一。
    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。
    民国二十二年长沙县、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。
    长沙在民国时依然是中国政治的革命中心之一。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。
    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。
    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。
    2007年年底，长沙同湘潭、株洲被国务院批准为长株潭“资源节约型和环境友好型社会”综合配套改革试验区，成为中国中部崛起的重要引擎。