Những di chỉ khảo cổ tại Cổ Loa cho thấy con người đã xuất hiện ở khu vực Hà Nội từ cách đây 2 vạn năm, giai đoạn của nền văn hóa Sơn Vi. Nhưng đến thời kỳ băng tan, biển tiến sâu vào đất liền, các cư dân của thời đại đồ đá mới bị đẩy lùi lên vùng núi. Phải tới khoảng 4 hoặc 5 ngàn năm trước Công Nguyên, con người mới quay lại sinh sống ở nơi đây. Các hiện vật khảo cổ giai đoạn tiếp theo, từ đầu thời đại đồ đồng đến đầu thời đại đồ sắt, minh chứng cho sự hiện diện của Hà Nội ở cả bốn thời đại văn hóa: Phùng Nguyên, Đồng Đậu, Gò Mun và Đông Sơn. Những cư dân Hà Nội thời kỳ đó sinh sống nhờ trồng trọt, chăn nuôi và chài lưới. Giai đoạn tiền sử này tương ứng với thời kỳ của các Vua Hùng trong truyền thuyết. Thế kỷ III trước Công Nguyên, trong cuộc chiến với quân Tần từ phương Bắc, Thục Phán quyết định đóng đô ở Cổ Loa, nay là huyện Đông Anh, cách trung tâm Hà Nội khoảng 15 km. Sự xuất hiện của thành Cổ Loa ghi dấu Hà Nội lần đầu tiên trở thành một đô thị trung tâm về chính trị và xã hội.Thất bại của Thục Phán đầu thế kỷ II trước Công Nguyên đã kết thúc giai đoạn độc lập của Âu Lạc, bắt đầu giai đoạn một ngàn năm do các triều đại phong kiến Trung Hoa thống trị. Thời kỳ nhà Hán, Âu Lạc cũ được chia thành ba quận Giao Chỉ, Cửu Chân và Nhật Nam, Hà Nội khi đó thuộc quận Giao Chỉ. Vắng bóng trong sử sách suốt năm thế kỷ đầu, đến khoảng năm 454–456 thời Lưu Tống, Hà Nội mới được ghi lại là trung tâm của huyện Tống Bình. Năm 226 Nhà Hán khi cai trị Giao Châu đã đổi tên Tống Bình thành Long Uyên (hoặc Long Biên). Năm 544, Lý Bí nổi dậy chống lại nhà Lương, tự xưng hoàng đế, đặt quốc hiệu là Vạn Xuân, đóng đô ở Long Uyên. Người cháu của Lý Bí là Lý Phật Tử tới đóng đô ở Cổ Loa, nhưng nền độc lập này chỉ kéo dài tới năm 602. Thời kỳ Nhà Đường, An Nam được chia thành 12 châu với 50 huyện, Long Uyên lại được đổi thành Tống Bình, là trung tâm của An Nam đô hộ phủ. Năm 866, viên tướng nhà Đường Cao Biền xây dựng một thành trì mới, Tống Bình được đổi tên thành "Đại La" – thủ phủ của Tĩnh Hải quân. Theo truyền thuyết, khi đắp thành, Cao Biền thấy một vị thần hiện lên tự xưng là thần Long Đỗ. Vì vậy, sử sách còn gọi Thăng Long là đất "Long Đỗ". Thế kỷ X, sau chiến thắng của Ngô Quyền trước quân Nam Hán, Cổ Loa một lần nữa trở thành kinh đô của nước Việt.
Những di chỉ khảo cổ tại Cổ Loa cho thấy con người đã xuất hiện ở khu vực Hà Nội từ cách đây 2 vạn năm, giai đoạn của nền văn hóa Sơn Vi. Thời kỳ Nhà Đường, An Nam được chia thành 12 châu với 50 huyện, Long Uyên lại được đổi thành Tống Bình, là trung tâm của An Nam đô hộ phủ.