御龙图，长沙楚墓帛画
距今约15～20万年以前，长沙有人类的活动，经过15～20万年的发展，长沙历史 进入新石器时代；约公元前5000年，长沙先民开始过定居生活，形成了村落，进入母系社会；约公元前3000年，长沙新石器时代进入屈家岭文化阶段；约公元前2500年，长沙新石器时代进入龙山化阶段，这时有了原始农业，渔猎仍是人们谋生的重要手段，原始制陶业、石器加工技术又有进一步的发展，并产生原始的纺织和玉器加工技术。
传说始祖炎帝和黄帝都曾来过长沙。司马迁的《史记 ·五帝本纪》说，黄帝曾“披山通道，南至于江，登熊、湘”，后来就把长沙这片地土封给了他儿子少昊氏（宋朝罗泌的《路史》记载：少昊氏“始于云阳，胙土长沙”(胙即赏赐之意），据此，传说中的少昊氏是远古长沙的一个氏族首领，是开发长沙的第一人。
长沙，夏代属古三苗之地；到商、周时代，三苗国消失了，但三苗后裔仍然在这片土地上生息繁衍，这时长沙属“扬越”（又叫“荆蛮”），史称“扬越之地”，作为古越人（古长沙越人为扬越的的一支）到这时创造和形成了富有特色的越文化，以拍印的几何纹饰硬陶即印纹硬陶是其最有代表性的特征。商周时期，北方中原王朝对南方“荆蛮”、“扬越”的战事频繁，虽未能在这里建立起他们直接的统治，但“扬越之地”一度成为商周的“南服”，迫使“荆蛮”臣服纳贡。 《逸周书·王会》记载，周初营建雒邑告成，各方诸侯来贺，贡物中有“长沙鳖”一种，这是“长沙”一名见于史籍的最早记载。
商周时期中原文化的传人，长沙进入青铜器时代。长沙古越人仍然是居住在茅草覆盖的半地穴式房屋，过着氏族生活，主要以石器作为工具，生产上依靠耕火种。商代中期，中原的青铜铸造技术传入，开始使用和制造青铜工具铜斧，到西周后期出现了铜制大锄（一种重要的松土工具）、铜插（即耙，用于松土和起土的农具）；而且还制造出了形制考究、纹饰精美的青铜容器、乐器。长沙出土的大批商周青铜器，大多具很高的工艺水平，富有鲜明的越族风格； 1938年宁乡出士的著名的四羊方尊，是商周青铜器中珍品； 1959年以来宁乡、长沙县出士的十几件铜镜，一般重70～80公斤，最大的221．5公斤，为中国到目前为止发现的最大的商代铜镜。
东周以后，进入春秋时代，也是中国历史上的动乱年代，春秋末期，楚国（荆楚）的势力进入长沙。战国初期，越国灭吴，楚越对峙开始，长沙成为楚国东南边陲的要塞。战国中期，楚国实行变法，国力强盛，对南展开大规模的军事行动，湖南全境纳入了楚国版图，长沙成为楚国南部的军事重镇，包括湖南湘北、湘中、湘南广阔地域的政治军事中心，楚国在长沙建立了城邑。楚人对长沙的进入，加上经过数百年的战争，古越人消失了，长沙古越文化被楚文化替代。
天心阁，当时太平天国军攻打长沙的地方
楚人的南侵，带来了中原和江汉地区的生产工具和生产经验，使长沙地区进入了铁器时代，长沙结束了商周以来延续了1000多年的原始状态，直接进入封建社会。
楚国至楚怀王时国势日弱，诸侯各国特别是秦国对楚国多次发起战争，前222年，秦国大将王翦率军南下，打败楚军在江南的余部，楚国以长沙为政治军事中心的江南之地被秦国所征服，楚国灭亡。长沙（湖南）作为楚地和楚国军事重镇的时间长达800多年。
秦国灭掉楚国，在原楚江南之地设立“ 长沙郡 ”，之后就是秦王朝的诞生，长沙为秦代36郡之一，从秦代开始，长沙开始纳入中国统一的政治版图，并第一次明确地以一个行政区域载入史册。秦代长沙郡涵盖今湖南大部分、湖北以南、江西西北和广东的连县、广西的全州等地，面积几乎相当于今湖南全省，临湘县为治所。
秦朝灭亡，汉王朝建立。刘邦称帝之后，公元前202年封西汉王朝开国功臣吴芮为长沙王，以原秦朝的长沙郡建长沙国，临湘县驻所作为国都，也标志着湖南历史上出现了第一个诸侯国，长沙成为王国都城。长沙王是长沙国的最高统治者（最高官员），其王位世袭，但自东汉汉朝对诸侯王国改变体制之后即公元前144年，实际成为有名无实的番王了。长沙国从公元前202年始封至公元7年废除，存在200多年，长沙国先后分为“吴氏长沙国”和“刘氏长沙国”两个时期。
古长沙城作为汉王番都，临湘古城位于长沙国的中心地带，为历代长沙王的驻所和长沙国的政治军事中心。古书《 水经注 》记载，临湘城（即古长沙城，史称临湘故城）系吴芮始封长沙王建筑。公元前157年，吴氏长沙国废除。
1946年长沙街头
吴氏长沙国时期，为古代长沙历史上辉煌时期，政治上始终不渝维护国家统一，是西汉王朝的忠实诸侯王国。刘邦所封八个异姓诸侯王臧荼、韩信、英布等七个诸侯王全部消灭，唯独吴氏长沙国自始至终效忠朝廷，就是淮阴王英布(即长沙王吴芮之女婿)反叛，长沙王吴臣（吴芮之子）还大义灭亲。吴氏长沙国自吴芮始封，到前156年其五世孙吴著死，因无子被撤除，共传5代，历时46年。王国的官吏制度与西汉朝廷相同，设有丞相(汉高祖初曾称柱国)，由朝廷直接委任，名为辅佐诸王，实际上是派来掌握本国实权以控制地方的。
前158年文帝之子景帝继位，重置长沙国，史称“刘氏长沙国”，公元前155年，景帝庶子刘发封为长沙王。刘发之长沙国正值西汉王朝大削诸侯王国势力的时候，自公元前155年封地，到公元前145年 ，随着朝廷对诸侯番国管理体制的改变，这时的长沙国辖地大为缩小，已析出桂阳郡和零陵郡，仅有临湘、罗、下隽、益阳、连道、湘南、安成、丞阳、茶陵、攸、昭陵等13县；长沙国的番王至此也削除了实际权力，不得干预自己所辖诸侯国的政务，成为名义上的王，上至相（管理政务的最高行政长官，改制以前称为“臣相”），下至县令全部由朝廷任免。“刘氏长沙国”从刘发始封到刘舜被废，共传7代8王，历时164年，随西汉王朝灭亡而拆除。公元8年 ， 王莽 篡位自立为帝建“新朝”，长沙国改名“填蛮郡”，国都临湘改名“抚睦县”。
王莽政权很快就被西汉末农民大起义所淹没。公元25年，原 西汉 皇室宗族、长沙定王刘发的后裔 刘秀（即光武帝）拥兵称帝，又建立起一个汉朝，因以 洛阳为都，史称东汉。由于全国各地分布着大大小小的农民起义队伍和各色武装割据，刘秀又展开了统一全国的战争。公元26年(建武二年)，刘秀遥封西汉末代长沙王刘舜之子刘兴为长沙王，复建长沙国，以控制洞庭以南 的局势。到29年，江夏太守侯登、武陵太守王堂、长沙相韩福、桂阳太守张隆、零陵太守田翕、苍梧太守杜穆、交趾太守锡光等，相率遣使贡献，悉封为列侯。至此，包括长沙在内的湖南全境正式归于东汉，长沙的归汉，对刘秀统一天下的战争起到了重要作用，刘秀于40年(建武十六年)统一中国。长沙已早在37年，刘秀以长沙王刘兴等“皆袭爵为王，不应经义”，将其改封为临湘侯，又将长沙国废除，改为长沙郡。
三国和西晋时期，长沙为长沙郡郡治，属古荆州。西晋后期和南北朝时期，长沙为长沙郡郡治，湘州州治。 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。
烧毁全城的文夕大火
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；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。
在太平天国军攻打长沙的清朝末年，曾国藩成为“湖南第一人”，长沙府涌现出在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”，为湖南直辖市，长沙一直作为湖南省会至今。
长沙在民国时期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。、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。
1937年曾是长沙发展的鼎盛时期，经济物业繁荣，初期成为抗战的大后方。
1938年11月12日晚的“文夕大火”成为长沙城最为悲惨的事件，全城各种历史文化遗迹几乎损失殆尽。
1939年到1944年，长沙为抗日战争的主战场，中、日双方以长沙为中心进行了四次大规模的战役，中方取得前三次战役的胜利。
1949年8月5日，长沙正式建立我党政权，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早期读书和从事革命活动的地方，被认为是革命纪念地。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，成为中西部重要的城市之一。
1949年8月至1958年为不管县时期，只管市、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。
国务院2001年10月10日国函〔2001〕131号批复：长沙市人民政府驻地由芙蓉区藩正街迁至岳麓区岳麓大道。
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。