Időszámításunk előtt 50 000 évvel ezelőtt jelenhetett meg Budapest területén a neandervölgyi ember, és 40 000 éve pedig a Homo sapiens sapiens, vagyis a modern ember. Tárgyi emlékeiket megtalálták többek közt Farkasréten és Csillaghegyen. Az időszámításunk előtt 6000 évvel kezdődő neolítikum (újkőkor) emberének letelepedésre utaló nyomait a III. kerületben, Békásmegyeren fedezték fel a régészek. A rézkortól (5000–3000) kezdve megszaporodnak a leletek Budapest területén, elsősorban temetkezések mellékleteként. A hosszabb ideig tartó egyhelyű letelepedés általánossá a bronzkorban (3000–1000) válik, ahogy az erődített telepek létesítése is, különösen a budai oldalon. A kelták, főként az eraviszkuszok időszámításunk előtt 400 körül jelentek meg Budapest területén, telepeiket Békásmegyeren, a Tabánban és a pesti oldalon találták meg.

Az illír-kelta eredetű eraviszkuszok az időszámításunk előtti 5. századtól az időszámításunk szerinti 1. század végéig mutathatók ki Budapest területén. Központjuk a Gellért-hegyi sánccal védett erődítmény és település (oppidum) volt, helyén ma az 1854-ben épített Citadella áll. Az eraviszkuszok a római hóditás után Aquincumba költöztek át, a Gellért-hegyet egészen a 3. századig szakrális célra tovább használták. 

A rómaiak Budapest területén időszámításunk után 50 körül jelennek meg Pannónia provincia Duna-menti limesének erődítményeivel. Campona (Nagytétény) és Albertfalva katonai tábor, továbbá a Gellért téri és a Vízivárosi segédcsapattábor alapítása is ekkorra tehető, később a védelem erődítései északabbra húzódtak és a 89-ben Domitianus császár jelenlétében megalapított Aquincum légiótáborának (Árpád híd budai oldal, Flórián tér) lettek az előzményei. Traianus császár 106-ban Pannónia provinciát kettéosztotta, és a Rábától a Duna limeséig terjedő terület, Pannonia Inferior székhelyévé tette Aquincumot. Az erődített légiótábor körül városi ranggal nem rendelkező táborváros, úgynevezett canabae alakult ki, kissé északabbra pedig a főként kelta eraviszkuszok által lakott polgári település, amelyet 124-ben Hadrianus császár emelt városi rangra. Aquincumnak a 2.-3- századbeli fénykorában 50-60 000 lakosa lehetett. Az 4. században a népvándorlás miatt a rómaiak egyre inkább visszahúzódtak a határtól, és az 5. századra Aquincum lényegében elnéptelenedett. Aquincumot később használták a longobardok, az avarok és a honfoglaló magyarok is, a katonai tábor területe a későbbi Óbuda, a pesti oldalon lévő Contra-Aquincum pedig Pest magjává vált. 

A honfoglaló magyarok első székhelye és Árpád nemzetségének szálláshelye a Csepel sziget volt. Noha a honfoglaló magyarok letelepedtek az egykori Aquincum (Ó-Buda) és Contra-Aquincum (Pest) területén is, az államalapításkor a királyi és egyházi székhely előbb Esztergomba került és ezt a funkciót töltötte be egészen a 13. századig. Székesfehérvár mint királyi koronázó- és temetkezőhely, illetve mint számos orszűggyűlés helye, a második legfontosabb település ekkor. A szlávok, blogárok, később németek által lakott Pest első írásos említése 1149, a vele szemben lévő, a Gellért-hegy lábánál kialakult települést pedig ekkor Kispestnek (Minor Pest) hívták. Óbudán szintén királyi udvarház, továbbá prépostság és társkáptalan volt. Az Árpád-híd északi oldalán a mai Fő téren és környékén alakult ki az egyházi központ, délre pedig a település, ahol a királyi, később pedig a királynéi vár is felépült. Budapest területén ekkor számos, ma már nem létező és nehezen behatárolható falu alakult ki, melyek közül a legnagyobb Kána volt és néhány neve ma is él még a jelenlegi budapesti kerületekben (Nyék, Gercse, Szentlőrinc, Gubacs, Szentmihály). Jelentős részük a tatárjáráskor megsemmisült, az egyetlen, fallal körül vett települést, Pestet felégették, a város évtizedekre elnéptelenedett, ahogy Óbuda is.