Os primeiros vestígios de povoamento em Barcelona remontam ao final do período Neolítico. Barcino foi a cidade dos laietanos (um povo ibero) e deu origem à cidade de Barcelona. Estava situada perto do Rio Rubricatus (atualmente, conhecido como Rio Llobregat). A cidade foi, supostamente, refundada por Amílcar Barca, que lhe teria dado o nome.
Em sentido estrito, Barcelona teria sido fundada pelos romanos no final do século I a.C., e que teria sido convertida numa fortificação militar, uma pequena elevação onde hoje está situada a catedral da cidade e a Praça de São Tiago. No século II, as suas muralhas foram construídas por ordem do Cláudio e, já no início do século III, a população de Barcino estava estimada entre 4 000 e 8 000 habitantes.
No século V, Barcelona foi ocupada pelos visigodos provenientes do norte da Europa.  No século VIII, a cidade foi conquistada pelo vizir árabe al-Hurr e iniciou-se um período de quase um século de domínio muçulmano, que terminou em 801, quando foi ocupada pelos carolíngios. Os carolíngios converteram-na na capital do Condado de Barcelona. A potência econômica da cidade e a sua localização estratégica fizeram com que os muçulmanos voltassem em 985, ocupando-a durante alguns meses.
A partir do século XIV, a cidade iniciou uma era de decadência que se estendeu durante os séculos seguintes. A união dos reinos de Aragão e Castela gerou um ambiente tenso entre catalães e castelhanos que chegou ao momento mais crítico com a Guerra dos Segadores e, posteriormente, com a Guerra da Sucessão Espanhola , que terminou com a abolição das leis institucionais próprias da Catalunha, com a destruição de boa parte do bairro da Ribera e com a construção, em seu lugar, da fortaleza conhecida como Cidadela (no local do atual Parque da Cidadela).
A partir do fim do século XVIII, Barcelona iniciou uma recuperação económica que lhe favoreceu a industrialização progressiva do século seguinte. A segunda metade do século XIX coincidiu com o projeto de derrubada das muralhas antigas que envolviam a cidade. Cidades próximas a Barcelona foram, então, incorporadas à mesma. Foram incorporadas à "Grande Barcelona" as cidades de Gràcia, Sarrià, Horta, Sant Gervasi de Cassoles, Les Corts, Sants, Sant Andreu de Palomar e Sant Martí de Provençals. Isso permitiu que a cidade executasse o projeto do Eixample e desenvolvesse sua indústria, feitos que lhe permitiram entrar no século XX como um dos centros urbanos mais avançados de Espanha. Foi sede de duas exposições universais: uma em 1888 e outra em 1929.
A escalada da Guerra Civil Espanhola e a derrota das forças republicanas tornaram o panorama desfavorável novamente, uma vez que Barcelona se havia posto ao lado da república. No final de 1939, as tropas franquistas ocuparam a cidade na última fase da guerra.
Depois de um pós-guerra duro para Barcelona, teve início uma fase de desenvolvimento sob o mandato do prefeito Josep María de Porcioles i Colomer. Toda a região próxima à cidade que ainda mantinha alguma tradição agrícola e rural aos poucos foi se urbanizando, com grandes bairros cheios de imigrantes procedentes de outras partes da Península Ibérica. Restaurada a democracia após a morte do ditador Franco, um novo desenvolvimento cultural e urbanístico aconteceu, com uma crescente participação da população civil, dotando a cidade de uma infraestrutura digna de uma metrópole moderna, cosmopolita e atrativa para o turismo. Nessa última etapa, celebraram-se os Jogos Olímpicos de Verão de 1992 e o Fórum Universal das Culturas em 2004.