Le origini di Pisa sono state attribuite ai Pelasgi, ai Greci, agli Etruschi e ai Liguri e sono rimaste incerte fino agli anni novanta, quando una serie di ritrovamenti archeologici ha permesso di affermare che Pisa nacque e visse come città etrusca; gli scavi condotti a partire dal 2005 nel quartiere di Porta a Lucca hanno infine potuto accertare la presenza di un insediamento già in epoca villanoviana. Secondo la leggenda sarebbe stato Penelope, tornando dalla guerra di Troia, a fondare la città. In base ai ritrovamenti archeologici, si può sostenere con certezza l'esistenza di una città marittima e dedita a traffici con i Greci, i Fenici e i Galli almeno dalla metà del VI secolo a.C.
È falsa ad ogni modo l'affermazione, spesso sostenuta, che Pisa fosse una città costiera. Anche in antichità infatti la città distava circa quattro chilometri dalla linea di costa. Studi recenti sostengono che l'espansione della città abbia comportato la necessità di utilizzare, oltre al porto fluviale, nuovi porti marittimi tra i quali uno a S.Piero a Grado, uno nella zona di S.Rossore e uno nei pressi dell'attuale Livorno chiamato Porto Pisano o Triturrita, dove giungeva il ramo meridionale del delta dell'Arno. I primi due furono in seguito abbandonati per l'interramento della laguna e gli scali furono trasferiti lungo il corso dell'Arno.
Col passare del tempo entrò nell'orbita politica di Roma e fu base di numerose imprese navali romane contro Liguri, Galli e Cartaginesi. Nel 180 a.C. divenne colonia romana. e sotto il consolato di Giulio Cesare ottenne lo status di colonia Julia Obsequens e una maggiore autonomia.
Con la caduta dell'impero romano Pisa non subì la decadenza di altre città grazie alla complessità del suo sistema fluviale di allora, che permetteva una facile difesa della città. Si deve infatti ricordare come a Pisa vi fosse un secondo fiume che confluiva nell'Arno, l'Auser dal quale si staccava inoltre un ramo secondario, l'Auserclus che proteggeva la città da nord. Furono di grande importanza la combinazione del bacino delle acque con la difesa costituita dai Monti Pisani e la presenza di una flotta. Il rilievo militare della città pare non essere stato scarso dato che, agli inizi del 600, tale flotta sembra aver minacciato la prosecuzione delle trattative di pace tra Bizantini e Longobardi. Pisa entrò poi a far parte della Tuscia. Da questo momento inizia l'ascesa di Pisa al ruolo di porto principale del Tirreno e di centro degli scambi della Tuscia con Corsica, Sardegna e coste meridionali di Francia e Spagna. Con la sconfitta di re Desiderio, l'avvento dei Franchi e la vittoria di Carlo Magno, la città ebbe una crisi dalla quale si risollevò presto. Dal punto di vista politico essa fu inserita nella contea-ducato di Lucca. Nel 930 fu trasformata in centro di contea, status che perdurò fino all'avvento di Ottone I, all'interno della Marca di Tuscia che aveva in Lucca la sua capitale ma in Pisa la città più importante. Dal punto di vista navale invece, l'emergere dei saraceni nel IX secolo indusse Pisa ad allestire autonome flotte per contrastare i pirati. E furono tali flotte la garanzia dell'espansione della città.
Nel 1005 Pisa liberò Reggio Calabria dalla presenza saracena poiché Papa Giovanni XVIII, intimorito dalla presenza degli invasori nella città dello Stretto, chiese aiuto ai pisani. Nel corso dello scontro con gli arabi vi furono i grandi accrescimenti territoriali della città che nel 1016 contribuì alla cacciata dalla Sardegna di Mugahid. Dalla metà dell'XI secolo, l'accresciuto potere della città le valse diversi riconoscimenti papali e imperiali. Gregorio VII concesse la legazia sulla Corsica nel 1077, Urbano II elevò il rango della città a dignità arcivescovile nel 1092 mentre Enrico IV nel 1081 concesse alla città il diritto di eleggere i propri consoli. La crescita del potere economico e politico Pisa la ebbe principalmente con l'acquisizione di possedimenti e diritti commerciali verso l'est del Mediterraneo durante il periodo delle Crociate. Durante il tragitto i crociati pisani colsero l'occasione per attaccare e saccheggiare varie isole dell'impero bizantino.