Menschliche Spuren lassen sich im heutigen Winterthur bis etwa in die Zeit um 3000 vor Christus zurückverfolgen. In der Zeit um Christi Geburt entstand am späteren Kirchhügel in Oberwinterthur eine römische Siedlung, die im Jahr 294 befestigt wurde. Sie trug den Namen Vitudurum. Die Marktgasse, die schnurgerade durch die Winterthurer Altstadt führt, liegt vermutlich auf einem kleinen Stück der römischen Strasse zwischen Genfer- und Bodensee.

Aus einer frühmittelalterlichen Siedlung entwickelte sich dort bis am Ende des 11. Jahrhunderts allmählich eine Stadt. Die im 7. oder 8. Jh. gebaute Kirche wurde um 1000 zur Grablege einer Adelsfamilie. In der zweiten Hälfte des 12. Jahrhunderts stiegen die Kyburger zur bedeutendsten Familie in der Ostschweiz auf. Winterthur liessen sie in dieser Zeit zur befestigten Stadt ausbauen.

1264 schlug die Stunde der Winterthurer Bürger. Der kinderlose Graf Hartmann IV. von Kyburg starb und sein Neffe Rudolf von Habsburg stelle den Winterthurern eine Stadtrechtsurkunde aus, die ihnen verschiedene Rechte schriftlich zusicherte. Während dem die Stadt Zürich 1351 ein eidgenössischer Ort wurde und ihr Territorium immer weiter ausdehnte, blieb Winterthur mit einem kleinen Intermezzo als reichsfreie Stadt bis 1467 habsburgisch. In diesem Jahr veranlasste Geldnot die Habsburger, die Stadt an Zürich zu verpfänden. Innerhalb der Zürcher Territorialherrschaft nahm Winterthur mit seiner eigenen Rechtspersönlichkeit eine Sonderstellung ein. Die Entwicklung der Stadt nach aussen - politisch wie wirtschaftlich - wurde von Zürich immer wieder unterbunden, was nicht selten zu Konflikten und Abhängigkeiten führte. In der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts gelang es zahlreichen Winterthurer Firmen in den Fernhandel mit Kolonialwaren und Baumwolle einzusteigen, womit die Basis für die künftige Industriestadt Winterthur gelegt war.

1798 brach ein neues Zeitalter an. Die Ereignisse in Frankreich und der Einmarsch der napoleonischen Truppen führten zum Zusammenbruch der Alten Eidgenossenschaft. Winterthur wurde Teil des neu gebildeten Kantons, in dem die Stadt Zürich weiterhin dominierte. Seit den 1830er Jahren trat Winterthur als Zentrum der Opposition gegen die Hauptstadt auf und begründete die sogenannte Demokratische Bewegung. Diese hatte grossen Einfluss auf die neue Kantonsverfassung von 1869 und die Revision der Bundesverfassung von 1874. Wirtschaftlich entwickelte sich Winterthur zu einer Industrie- und Handelsstadt mit internationaler Bedeutung.