Cuando llegó la dominación romana a la península Ibérica los vaceos ocupaban la cuenca del Duero. Para defender la zona occidental construyeron dos fortalezas: Ocelo Durii y Salmantica (Salamanca).
Más presencia que los vaceos tuvieron los vetones, que imprimieron una fuerte personalidad en la zona de las actuales provincias de Ávila, Toledo y Salamanca. En el siglo III adC, Aníbal, en su avance por Iberia, sitia y toma la antigua ciudad de Helmantica (Salamanca). La leyenda cuenta que los salmantinos rindieron la plaza sin oponer resistencia y salieron de la ciudad; pero las mujeres llevaban bajo sus vestidos las armas de los varones, con las que luego sitiaron a los cartagineses dentro de la ciudad.
Con la caída de los cartagineses ante los romanos se consolida la ocupación y la ciudad comienza a adquirir cierta importancia. Pronto se convierte en un enclave comercial básico debido a su situación privilegiada como vado sobre el río Tormes, que a su vez la convierte en paso de una de las más importantes calzadas romanas de Hispania, la Vía de la Plata. Para esta calzada se construye el puente romano (siglo I) del que aún hoy se mantiene en pie la mitad norte (la otra mitad tuvo que ser reconstruida en el siglo XVII tras la Riada de San Policarpo).
Con el fin del Imperio Romano, los alanos se establecen en Lusitania y la ciudad pasa a formar parte de esta región. Posteriormente los visigodos conquistan la ciudad y se convierte en parte de su territorio. Pocos datos se tienen sobre el desarrollo de Salamanca en la época visigoda, solamente se sabe que en el siglo IV la muralla romana se amplía, con torreones sobre el mismo trazado y que prácticamente quedó destruida en su totalidad la fábrica de la cerca anterior. En 589 fue designada sede episcopal. Figura entre las ciudades que enviaban obispos a los concilios de Toledo.
En el año 712, con la invasión musulmana de la península, Musa ibn Nusair conquista la ciudad. Durante toda la Alta Edad Media, gran parte de los núcleos urbanos del valle del Duero fueron abandonados o destruidos a causa de las frecuentes incursiones árabes en la zona. Salamanca quedó reducida a un núcleo carente de importancia y prácticamente despoblado. Los sucesivos intentos de los reinos cristianos de estabilizar este área originan no pocos choques con las expediciones musulmanas hacia el norte, teniendo lugar diversas escaramuzas y batallas, como la de Alfonso I en 754, que acaban por arrasar lo que queda de urbano. La zona prácticamente permanece despoblada hasta que la épica victoria de Ramiro II de León, en la batalla de Simancas año 939, inicia el declive de las incursiones musulmanas al norte del sistema Central. Inmediatamente después de estos acontecimientos la línea del Duero fue más segura: por el lado occidental, se repobló el valle del Tormes (Salamanca y Ledesma, entre otros lugares) mientras, por el sector oriental, Fernán González hizo lo mismo en Sepúlveda.
Salamanca se incorpora tempranamente a los dominios de los reinos del norte peninsular, pero hasta el siglo X no verá aumentar su población con las repoblaciones, a pesar de la importancia de su puente sobre el Tormes. Tras la conquista de Toledo por Alfonso VI, en el año 1085 se desplaza la tensión militar a la cuenca del Tajo; este hecho facilitó la segunda ola de repoblación de la ciudad. En 1102, Raimundo de Borgoña se dirige a la ciudad con un nutrido grupo de pobladores de diversos orígenes, por orden de su suegro Alfonso VI. Cada uno de estos grupos se instaló en una zona diferente de la ciudad. Francos, serranos (montañeses de la cordillera Cantábrica), castellanos (entiéndase castellanos del antiguo solar entre Burgos y Cantabria), portugueses, mozárabes (poblaciones hispano romanas o hispano godas que huyeron del dominio musulmán), toresanos, judíos y gallegos fundaron sus respectivas Iglesias y parroquias. Se restaura su Diócesis (Jerónimo de Perigord) y se comienza a construir la catedral, a cuya vera nacen unas escuelas que serán el germen de la Universidad.
En el año 1230, bajo el reinado de Fernando III El Santo, se unen bajo un mismo monarca los reinos de León y Castilla. Estos reinos incluían Asturias, Galicia, La Extrema Durii (actual Extremadura), Castilla La vieja y las provincias vascongadas.
En el siglo XIII, el monarca Alfonso IX de León ordena una tercera repoblación de la ciudad y otorga a las escuelas catedralicias, en 1218, el rango de Estudio General del reino de León, que se convertiría en Universidad de Salamanca, por real cédula de Alfonso X, en 1253 y fue ratificada por el papa Alejandro IV (1255). La universidad alcanzaría con el tiempo gran prestigio.
El 12 de agosto de 1311, nació entre sus muros el único rey de Castilla y León que ha dado la ciudad. Alfonso XI el Justiciero. Accedió al trono con catorce años. Conquistó Gibraltar al mando de las milicias castellano-leonesas en las que destacaba la nutrida presencia de contingentes salmantinos.
Durante el siglo XV, Salamanca fue el escenario de grandes rivalidades entre las familias nobles de la ciudad, articuladas en dos bandos que se repartieron la ciudad: el de San Benito y el de Santo Tomé. Con el auge de la Mesta, Salamanca adquirió renombre como centro de manufacturas pañeras y como exportador de lana.
Como el resto núcleos históricos de la Corona -los que tenían representación en Cortes-, se unió al movimiento de las Comunidades de Castilla (1520), contra los nuevos impuestos que reclamaba Carlos V en las Cortes y en defensa de sus manufacturas textiles contra los privilegios de los exportadores de lana. Tras la derrota de los Comuneros el rey Carlos I hizo desmochar las torres de los palacios de los salmantinos que se adhirieron a la revuelta.
El siglo XVI fue la época de mayor esplendor de la ciudad, tanto en la demografía como en la vida universitaria gracias al prestigio de sus profesores (se calcula que Salamanca tenía unos 24.000 habitantes, y hacia 1580 se matriculaban cada año 6.500 estudiantes). Después se unió a la decadencia generalizada de las ciudades de la Corona de Castilla en la meseta norte (12.000 habitantes en 1651).
En el siglo XVIII tuvo un importante renacimiento económico y cultural, que propició la terminación de la catedral Nueva (cuyas obras habían estado paradas durante casi un siglo), la construcción de su imponente plaza mayor barroca en 1729 y permitió rehacer muchos de los edificios monumentales dañados por el terremoto de Lisboa de 1755. En el aspecto cultural, también se notó el influjo de la Ilustración de los Borbones en la Universidad en el último tercio del siglo.
Durante la guerra de la Independencia, Salamanca fue ocupada por las tropas del mariscal Soult en 1809 y permaneció en manos francesas hasta la batalla de los Arapiles (1812), en la que vencieron los ejércitos aliados bajo el mando de Wellington. Durante la ocupación, los franceses construyeron defensas y para obtener materiales destruyeron una importante parte de los edificios salmantinos, especialmente del barrio llamado de Caídos, donde se levantaban conocidos colegios mayores de la universidad, de los que no queda ni rastro. Quizá el peor momento llegó cuando Fernando VII, cerró las universidades. A partir de la reapertura, la de Salamanca quedó reducida a una universidad de provincias.
En 1873, tras proclamarse la Primera República sufrió un levantamiento cantonalista que fue sofocado.
El resto del siglo XIX propició una leve recuperación al ser nombrada capital de provincia y al haberse construido el ferrocarril que unía Francia con Portugal pasando por la Meseta (Medina del Campo y Salamanca, 1877).
La sublevación militar contra la república triunfa en Salamanca desde el primer momento. Durante la Guerra Civil, entre octubre de 1936 y noviembre de 1937 su Palacio Episcopal fue residencia y centro de mando del general Franco. La ciudad fue también sede de las organizaciones falangistas y de algunos ministerios. Tras la guerra, se concentraron en Salamanca los documentos incautados por las tropas nacionales a medida que iban ocupando el territorio republicano, de forma que se creó un gran archivo documental sobre la guerra civil española (Archivo General de la Guerra Civil Española). La parte de este archivo incautada por los rebeldes en Cataluña, fue segregado y trasladado a Barcelona en primavera de 2006 tras grandes disputas entre el ayuntamiento salmantino y el gobierno español y manifestaciones populares. La calle en la que se encuentra el archivo cambió su nombre de «Gibraltar» por el de «El Expolio» como señal de protesta del ayuntamiento de Salamanca, presidido por Julián Lanzarote (PP), tras el traslado de los «papeles de Salamanca» a Cataluña (el nombre de Gibraltar lo tenía la calle como homenaje a las milicias salmantinas que fueron con Alfonso XI a la conquista de Gibraltar).
En 1940, Pío XII funda la Universidad Pontificia de Salamanca como continuación de los antiguos estudios de teología.
En 1988 es declarada, por la Unesco, Ciudad Patrimonio de la Humanidad. En 1998, por acuerdo de los Ministros de Cultura de la Unión Europea, Salamanca es designada, junto a Brujas, Capital Europea de la Cultura del año 2002. También esta ciudad aspira a obtener la candidatura a la Expo de Salamanca en un futuro no muy lejano.
Actualmente, la población de la capital salmantina oscila alrededor de los 160.000 habitantes, permaneciendo estancada desde hace unas tres décadas.
La población salmantina en 2006 descendió en más de 11.000 personas respecto al año 1994. Es significativo comprobar que Salamanca tiene un alto índice de población envejecida respecto a los datos nacionales.
La actividad industrial es prácticamente nula, siendo el sector servicios (el boyante turismo cultural y la universidad) los que mantienen la ciudad. Especialmente relevante es la actividad educativa durante el verano, con gran afluencia de estudiantes procedentes de muchos países para aprender castellano y seguir cursos de verano.
Respecto al momento actual, Salamanca retrocede poblacional y económicamente, puesto que la población se dispersa por los municipios de los alrededores, gracias a la moda de vivir en urbanizaciones y que el terreno es más barato en estos municipios, para instalar actividades económicas; se destruyen puestos de trabajo y desciende el peso específico de su Universidad; estancándose a pesar de parecer esta una época propicia para el progreso general de las provincias de las diferentes Autonomías de España.