Repubblica marinara assieme ad Amalfi, Venezia e Genova, Pisa ha tracce antiche che, per quanto riguarda la presenza dell'uomo nell'area cittadina, sembrano risalire al Paleolitico superiore.
La città sorse in prossimità della confluenza delle foci dei fiumi Arno ed Auser, oggi scomparso, in una zona all'epoca lagunare. Le origini di Pisa sono state nel tempo attribuite ai Pelasgi, ai greci (Teuti o della Focide), ai Greci, agli Etruschi e ai Liguri e sono rimaste incerte fino agli anni '80 e '90, quando un'impressionante serie di ritrovamenti archeologici (tra cui nel 2005 la scoperta di una necropoli villanoviana, cioè etrusca del IX-VIII sec. a.C.) ha permesso di affermare senza dubbi che Pisa nacque e visse come città etrusca; secondo la leggenda sarebbe stato Pelope, tornando dalla guerra di Troia, a fondare la città. Il dibattito sulle origini della città risale almeno allo storico romano Catone ma, in base ai ritrovamenti archeologici, si può sostenere con certezza l'esistenza di una città marittima e dedita a traffici con i Greci, i Fenici e i Galli almeno dalla metà del VI secolo a.C.. Anche gli altri autori latini attribuiscono a Pisa una non giovane età.

Tra questi in particolare Virgilio, Plinio, Strabone e Servio. Servio sostiene che i fondatori della città furono i Teuti mentre secondo Plinio la città sarebbe stata fondata dai Teuti oppure da Pelope, re dei Pisei, tredici secoli prima di Cristo. Strabone ne attribuisce invece le origini a Nestore, re di Pilo, successivamente alla caduta di Troia, mentre in quello stesso periodo, stando all'Eneide, Pisa appare già una città grande e potente. Tra tutte è al momento più accreditata la tesi che Pisa sia stata etrusca fin dagli inizi. In quanto tale era quindi posta in posizione di baluardo contro l'area influenzata dai Liguri e in posizione favorevole allo sviluppo dei commerci provenienti da Populonia, Volterra, Bologna e dalla Sardegna.

Il ruolo marittimo della città era già spiccato all'epoca se è vero che gli autori antichi attribuivano ad un pisano l'invenzione del rostro. È falsa ad ogni modo l'affermazione, spesso sostenuta, che Pisa fosse una città costiera. Anche in antichità infatti la città distava circa quattro chilometri dalla linea di costa. Studi recenti sostengono che l'espansione della città abbia comportato la necessità di utilizzare, oltre al porto fluviale, nuovi porti marittimi tra i quali uno a S.Piero a Grado, uno nella zona di S.Rossore e uno nei pressi dell'attuale Livorno chiamato Porto Pisano o Triturrita, dove giungeva il ramo meridionale del delta dell'Arno. I primi due furono in seguito abbandonati per l'interramento della laguna e gli scali furono trasferiti lungo il corso dell'Arno.

Col passare del tempo entrò nell'orbita politica di Roma e fu base di numerose imprese navali romane contro Liguri, Galli e Cartaginesi. Nel 180 a.C. divenne colonia romana. e sotto il consolato di Giulio Cesare ottenne lo status di colonia Julia Obsequens e una maggiore autonomia.

Con la caduta dell'impero romano Pisa non subì la decadenza di altre città grazie alla complessità del suo sistema fluviale di allora, che permetteva una facile difesa della città. Si deve infatti ricordare come a Pisa vi fosse un secondo fiume che confluiva nell'Arno, l'Auser dal quale si staccava inoltre un ramo secondario, l'Auserclus che proteggeva la città da Nord.

La combinazione del bacino delle acque con la difesa costituita dai Monti Pisani definivano un assetto geografico complessivo particolarmente favorevole alle necessità difensive dell'epoca. A ciò si univa la presenza di una flotta che ebbe qualche importanza anche nell'alto Medioevo. Il rilievo militare della città pare infatti non essere stato scarso se, agli inizi del 600, tale flotta sembra aver minacciato la prosecuzione delle trattative di pace tra Bizantini e Longobardi. Inizialmente unico avamposto bizantino nella Tuscia conquistata dai Longobardi, Pisa entrò poi a far parte della Tuscia stessa probabilmente non a causa di una guerra ma in quanto lentamente assorbita nel periodo successivo al confronto tra i due regni. Da questo momento inizia l'ascesa di Pisa al ruolo di porto principale del Tirreno e di centro degli scambi della Tuscia con Corsica, Sardegna e coste meridionali di Francia e Spagna.

Con la sconfitta di re Desiderio cui Pisa era fedele, l'avvento dei Franchi e la vittoria di Carlo Magno, la città ebbe una crisi dalla quale si risollevò presto. Dal punto di vista politico essa fu inserita nella contea-ducato di Lucca. Nel 930 fu trasformata in centro di contea, status che perdurò fino all'avvento di Ottone I, all'interno della Marca di Tuscia che aveva in Lucca la sua capitale ma in Pisa la città più importante se è vero che a metà del 900 Liutprando, vescovo di Verona, chiamava Pisa "Tusciae provinciae caput" e un secolo dopo il marchese di Tuscia veniva comunemente chiamato "marchese di Pisa". Proprio ai danni di Lucca, Pisa fu vittoriosa protagonista, nel 1003 della prima guerra comunale in Italia. Dal punto di vista navale invece, l'emergere dei saraceni nel IX secolo indusse Pisa ad allestire autonome flotte per contrastare i pirati. E furono tali flotte la garanzia dell'espansione della città.

La prima fase dello sviluppo della potenza pisana vede la città impegnata nel contenimento dei pirati saraceni nel Mediterraneo occidentale. Le imprese navali iniziano nell'828 con una spedizione contro le coste africane. Nell'871 Pisa partecipò in forze alla difesa di Salerno dall'attacco dei saraceni. Nel 970, dette un importante contributo alla spedizione dell'imperatore Ottone I che sconfigge una flotta bizantina in Calabria.

Facciata della Chiesa Santa Maria della spinaNel 1005 Pisa liberò Reggio Calabria dalla presenza saracena poiché Papa Giovanni XVIII, intimorito dalla presenza degli invasori nella città dello Stretto, chiese aiuto ai pisani. Altre spedizioni antiarabe furono la conquista e l'occupazione di Bona, in Africa settentrionale, nel 1034, la vittoriosa spedizione contro la città genovese in Tunisia di El Mehedia nel 1088 ed il saccheggio di Palermo del 1063 con i cui marmi si dette inizio alla costruzione della Piazza dei miracoli. Nel corso dello scontro con gli arabi vi furono i grandi accrescimenti territoriali della città che nel 1016 contribuì alla cacciata dalla Sardegna di Mugahid, detto Musetto, nel 1052 conquistò la Corsica e nel 1115 le Baleari. Quest'ultima impresa, peraltro non duratura, avvenne a seguito di una guerra iniziata nel 1113 e promossa da Pisa insieme a Papa Pasquale II e a cui parteciparono anche il conte di Barcellona, e contingenti di altri alleati provenzali ed italiani poi quasi interamente ritiratisi. Tra questi, a differenza delle precedenti spedizioni in Sardegna e Corsica, non vi furono i genovesi.

Dalla metà del secolo XI, l'accresciuto potere della città le valse diversi riconoscimenti papali e imperiali. Gregorio VII concesse la legazia sulla Corsica nel 1077, Urbano II elevò il rango della città a dignità arcivescovile nel 1092 mentre Enrico IV nel 1081 concesse alla città il diritto di eleggere i propri consoli. Quest'ultima concessione rispecchiava in realtà una situazione di fatto dal momento che, negli anni precedenti, una forte crisi istituzionale si era conclusa con l'accordo tra l'arcivescovo e il visconte, dal quale rimase escluso il Marchese, e a seguito del quale Pisa iniziò a governarsi tramite dei consoli assistiti da un Consiglio degli Anziani.{mospagebreak}

La crescita del potere economico e politico Pisa la ebbe principalmente con l'acquisizione di possedimenti e diritti commerciali verso l'est del Mediterraneo durante il periodo delle Crociate. A meno di due mesi dalla prima crociata del 1099, una flotta pisana di 120 navi giunse in Terrasanta a portare rifornimenti ai crociati. Durante il tragitto i crociati pisani, a cui si accompagnava l'arcivescovo Daiberto, futuro patriarca di Gerusalemme, colsero l'occasione per attaccare e saccheggiare varie isole dell'impero bizantino. Giuseppe Setaioli, nella sua Historie dell'antichissima città di Pisa scrive "Patriarca Pisano qual fece ritorno per allora alla Patria stette in quel tempo l'armata Pisana quattro anni continui in quelle parti e volendo far ritorno a i patrij lidi ricordevoli di alcune ingiurie ricevute da Colajanni Imperatore di Constantinopoli risolvettero (benché da longhe fatiche indeboliti) volere andare a i danni di detto Imperatore e luoghi e scorrere fino a Costantinopoli del che intimorito mandò sei ambasciatori a chieder paci alli Pisani dalli quali benignamente fulli concessa con alcuni pochi di tributi quali dovesse detto imperatore pagare fra i quali furono cinquanta capi di paramenti per la lor Chiesa del Duomo de i quali ven'era alcuni che per la quantità dell'oro si reggevano ritti". La presenza pisana e delle altre repubbliche ovviamente non si limitò al sostegno ai crociati ma fu volta allo stabilimento di colonie commerciali presso Siria, Libano e Palestina.