约70万年前“北京人”就生活在周口店地区，这是有据可查的北京地区最早的人类活动记录。按照现代人类进化史的推论，人类应从非洲逐渐迁徙分散到世界各地的，极有可能是各大陆板块分裂之前。古人类选择了周口店地区，一定是优越的地理位置适应从猿到人的繁衍生息。在高原与平原交界的区域，除了有赖以生存的洞穴外，山上有茂密的森林，山下有广阔的平原，动植物资源丰富，水域资源也较丰富，推测是淡水河流的入海口处，几十万年前海平面距离此处应不会太遥远，类似于南北极冰山融化后海平面会上升约66米。
原始社会只有传说缺少文献记载。幽州，是北京最早的名称。相传黄帝的第三代继承者颛顼，曾到“幽陵”祭祀，“幽陵”就是幽州。
大禹治水后分天下为九州，其中即有冀州，位列九州之首，包括今河北西北部、山西省全境、河南北部等地区。夏商时期北京即属冀州范围内。
西周时期，蓟成为周朝的诸侯国之一燕国的都城，位于今房山琉璃河东面的董家林村周围。
秦朝建立之后，秦始皇采纳丞相李斯的建议，取消分封制，推行郡县制，废诸侯，立郡县，分天下为三十六郡，今北京分属广阳郡、渔阳郡、上谷郡管辖。
西汉初年，燕国是异性诸侯王的封地，以蓟为都城。东汉初年，今北京地区曾长期处于战乱之中，划归为幽州，州牧以蓟为驻地，东汉末年，又改为州牧，为幽州，是抵御东北方和北方各族入侵的重镇。在魏晋时期，北京成了北方封建割据势力的一个中心。
隋代隋炀帝大业三年（公元607年），将幽州改称涿郡。唐武德元年（公元618年），涿郡改名为幽州。唐玄宗天宝时一度改称为范阳郡，以后又改为幽州。
契丹得到幽云十六州之后，便把幽州升为五京之一的南京，作为陪都，又称燕京，府名幽都（开泰元年（1012年）改称析津府）。金代女真族正式建都于此，称为中都，宋金经过一系列的交涉，收回幽州，宋朝改称为燕山府，郡为广阳。宋宣和七年、金天会三年（1125年），金攻占后复名燕京析津府。金贞元元年（1153年）改燕京为中都，定为国都，改燕京析津府为永安府。贞元2年（1154年），改永安府为大兴府，隶属中都路。
206年，成吉思汗建立蒙古帝国；1215年，成吉思汗率大军攻克金中都。1217年，太师、国王木华黎改中都为燕京。1260年忽必烈即位，1263年，忽必烈下诏升开平府为上都。1264年，忽必烈发布《建国都诏》，改燕京为中都，定为陪都，两都制正式形成。1267年，元世祖忽必烈由上都迁都到中都，定中都为首都，将上都作为陪都。1272年，忽必烈将中都改名为大都，并建中书省署在此。
自元朝起，北京开始成为全中国的首都。元大都其城址位于今北京市市区，北至元大都城遗址，南至长安街，东西至二环路。
洪武元年，明军攻入元大都，改称为北平府，设立了北平布政使司。1380年，燕王朱棣封国于北平，1402年，攻占南京的朱棣正式登基，改年号为永乐，北平改称北京，作为明朝的陪都，建顺天府，共分两个县：大兴县（管辖北京东城）、宛平县（管辖北京西城），地方官员最大的是顺天府知府。1409年，北京建立五府六部官制，称为“行在”，明清时期北京又称为京师，通称北京。此后北京之称一直延续到1928年。
明朝自成祖后开始对北京进行大规模扩建，清朝在延续明北京城的基础上又进行了一些修缮和扩建。至清末北京成为当时世界上最大的城市。