Un habitat permanent est attesté dans les limites du Paris actuel à partir de la période chasséenne (entre 4 000 et 3 800 avant notre ère) au village de Bercy ; les restes de trois pirogues néolithiques aujourd'hui visibles au musée Carnavalet ont ainsi été retrouvés sur la rive gauche d'un ancien bras de la Seine dans le 12e arrondissement, où la présence humaine semble avoir été continue durant le Néolithique.
De façon générale, l'histoire du site parisien est toutefois mal connue jusqu'à la période gallo-romaine. Seule certitude, les Parisii, l'un des 98 peuples gaulois, vivent dans cette région en 52 avant notre ère, au moment d'être soumis à Rome. Ainsi, on ne connaît pas précisément l'emplacement de la cité gauloise mentionnée dans les sources latines : il pourrait s'agir de l'île de la Cité (aucun vestige archéologique antérieur à Auguste n'y a toutefois été retrouvé), de l'île Saint-Louis, d'une autre île aujourd'hui rattachée à la rive gauche, voire du site de Nanterre, où a été découverte en 2003 une importante agglomération ordonnée. Dans tous les cas, la cité romaine s'étend sur la rive gauche et sur l’île de la Cité ; elle prend le nom de Lutetia (Lutèce).
À l'époque gallo-romaine, Lutèce n'est qu'une cité relativement modeste du monde romain avec une population de l'ordre de dix mille habitants à son apogée ; en comparaison, Lugdunum (Lyon), capitale des trois Gaules (dont la lyonnaise qui englobe la région de Lutèce), aurait compté au iie siècle de 50 000 à 80 000 habitants118. Elle connait toutefois une certaine prospérité grâce au trafic fluvial. Suivant la tradition, la cité aurait été christianisée par saint Denis, martyrisé vers 250.
La position stratégique de Lutèce face aux grandes invasions en fait un lieu de séjour pour l'empereur Julien entre 357 et 360, puis Valentinien Ier en 365-366. La cité prend le nom de Paris à cette époque. Si ses faubourgs subsistent encore au ive siècle, la population se replie au ve siècle dans l'île de la Cité, fortifiée par la récupération de pierres prises aux grands édifices ruinés. En 451, sainte Geneviève, future patronne de la ville, serait parvenue à convaincre les habitants de ne pas fuir devant les Huns d'Attila, qui s'en détournent effectivement sans combat.
En 508, Clovis fait de Paris sa capitale après avoir conquis la Gaule. Il y établit sa résidence principale et construit plusieurs édifices religieux. Paris garde une importance particulière tout au long des VIe et VIIe siècles, malgré les divisions du royaume. Sous Charlemagne, Paris perd sa position politique privilégiée. Au IXe siècle, elle est dévastée par les Vikings, mais résiste avec succès aux Normands en 885-886, gagnant en prestige.
Sous les premiers Capétiens, Paris devient une des principales villes du domaine royal. Robert le Pieux restaure le Palais de la Cité et plusieurs abbayes. Louis VI et Louis VII y fixent leur cour et leur chancellerie. Paris prospère, devenant un centre important du commerce et de l'enseignement. Philippe Auguste fait de Paris la capitale incontestée du royaume, renforcée sous Louis IX et Philippe le Bel. L'administration royale s'installe dans la cité, et les bourgeois parisiens jouent un rôle majeur dans la gestion de l'État. Les écoles de la rive gauche s'unifient en une université reconnue par le pape en 1209-1210.
Paris devient le symbole du pouvoir royal avec des édifices comme la cathédrale Notre-Dame, la Sainte-Chapelle et le Palais de la Cité. Philippe Auguste entoure la cité de murailles de pierres. Au début du XIVe siècle, Paris compte environ 200 000 habitants, la ville la plus peuplée d'Europe.
En 1348, la peste frappe Paris pour la première fois. Pendant la guerre de Cent Ans, Paris est exposée aux attaques anglaises. Charles V construit un nouveau rempart sur la rive droite. L'autorité royale est remise en cause, et des émeutes populaires éclatent. Au début du XVe siècle, Paris tombe aux mains du roi d'Angleterre, mais est reconquise en 1436 par Charles VII. Après la guerre, Paris se rétracte derrière ses murailles et sa population tombe à environ 100 000 habitants.
La Renaissance ne bénéficie guère à Paris, la cour résidant dans le Val de Loire. En 1528, François Ier fixe sa résidence à Paris, augmentant son rayonnement intellectuel avec la création du Collège de France. Sous son règne, Paris atteint 280 000 habitants. Le 24 août 1572, le massacre de la Saint-Barthélemy fait entre deux mille et dix mille victimes. La Ligue catholique se dresse contre Henri III en 1588, et après son assassinat, Henri de Navarre assiège la ville, qui ne lui ouvre ses portes qu'en 1594 après sa conversion.
La Journée des barricades en 1648 marque le début de la Fronde, provoquant une crise économique et une défiance du roi envers Paris. Malgré une mortalité élevée, la population atteint 400 000 habitants grâce à l'immigration provinciale. Paris est une ville misérable et insécurisée, mais le lieutenant-général de police Gabriel Nicolas de La Reynie installe 6 500 lanternes pour éclairer la ville.
Louis XIV choisit Versailles comme résidence en 1677 et y déplace le siège du gouvernement en 1682. Colbert gère Paris et fait la navette entre Paris et Versailles. Louis XIV ne vient que rarement à Paris, marquant une hostilité envers la ville. Au XVIIIe siècle, Versailles ne dépossède pas Paris de son rayonnement intellectuel, et la ville devient un centre des idées des Lumières avec des salons littéraires comme celui de madame Geoffrin. Paris connaît une forte expansion économique et démographique, atteignant 640 000 habitants à la veille de la Révolution française.
En 1715, le régent Philippe d'Orléans quitte Versailles pour le Palais-Royal, et Louis XV s'installe aux Tuileries. En 1722, Louis XV retourne à Versailles, rompant la réconciliation avec les Parisiens. La ville s'étend alors sur les six premiers arrondissements actuels. Louis XV s'intéresse à Paris en 1749, décidant l'aménagement de la place Louis XV (actuelle place de la Concorde), la création de l'école militaire en 1752, et la construction de l'église dédiée à Sainte-Geneviève en 1754, aujourd'hui le Panthéon.
La Révolution française débute à Versailles avec la convocation des États généraux et le Serment du Jeu de paume. Les Parisiens, touchés par la crise économique et influencés par les Lumières, prennent une part active à la Révolution. La prise de la Bastille le 14 juillet 1789 marque une première étape. Le 15 juillet, Jean Sylvain Bailly devient le premier maire de Paris. Le 5 octobre, une émeute atteint Versailles, et le roi est contraint de résider à Paris.
Le 14 juillet 1790, la fête de la Fédération se déroule sur le Champ-de-Mars. En août 1792, une commune révolutionnaire prend possession de l'hôtel de ville, et le 10 août, la foule assiège le Palais des Tuileries. Louis XVI et sa famille sont incarcérés, et la monarchie est abolie. La Terreur règne sous le Comité de salut public, et le Tribunal révolutionnaire incarcère de nombreux suspects. Louis XVI est guillotiné le 21 janvier 1793, suivi de 1 119 personnes, dont Marie-Antoinette et Robespierre.
La Révolution n'est pas favorable au développement de Paris, qui compte 548 000 habitants en 1800. De nombreux couvents et églises sont rasés, et des lotissements sont édifiés sans plan d'ensemble. En 1806, Paris compte 650 000 habitants, principalement grâce à l'immigration provinciale. Le 2 décembre 1804, Napoléon Bonaparte est sacré empereur et décide de faire de Paris la capitale de son Empire. Il ordonne la construction des arcs de triomphe de l’Étoile et du Carrousel, ainsi que du palais impérial de la Bourse et de la colonne Vendôme.
En 1814, la bataille de Paris entraîne la capitulation de la capitale et la première abdication de Napoléon. Les cosaques de l'armée russe occupent certains points de la ville, donnant lieu à la légende de l'origine du mot "bistro". Les armées alliées quittent Paris après le 3 juin 1814.
À la fin des Cent-Jours en juillet 1815, Paris voit l'arrivée des armées anglaises et prussiennes. Louis XVIII, de retour d'exil, s'installe aux Tuileries. Sous Louis XVIII, Charles X et la monarchie de Juillet, l'urbanisme parisien est négligé. Le prolétariat ouvrier, en forte expansion, vit dans des conditions misérables, entraînant des épidémies comme le choléra en 1832, qui fait 32 000 victimes. Les révoltes populaires, comme les Trois Glorieuses et la révolution de 1848, renversent Charles X et Louis-Philippe Ier.
Entre 1840 et 1844, la dernière enceinte de Paris, dite enceinte de Thiers, est construite. Avec l'avènement du Second Empire, Paris se modernise sous l'impulsion de Napoléon III et du baron Haussmann. Des milliers de logements disparaissent, entraînant une spéculation immobilière qui provoque un krach financier international. Le 1er janvier 1860, Paris annexe plusieurs communes voisines, passant de douze à vingt arrondissements.
Lors de la Guerre franco-prussienne de 1870, Paris est assiégée mais non prise par les armées prussiennes. La poste aérienne est inventée grâce aux ballons montés. Refusant l'armistice signé en janvier 1871, les Parisiens s'insurgent le 18 mars 1871, marquant le début de la Commune de Paris. L'Assemblée monarchiste réprime la Commune lors de la Semaine sanglante en mai 1871, la dernière guerre civile connue par Paris. Après la guerre, Paris lève un grand emprunt public de 1,2 million de francs pour se relever, qui connaît un grand succès.
Pendant la Belle Époque, Paris connaît une expansion économique importante avec cent mille entreprises employant un million d'ouvriers en 1913. Entre 1900 et 1913, 175 cinémas sont créés et de nombreux grands magasins voient le jour. Paris devient la deuxième place financière internationale après Londres. Deux expositions universelles marquent la ville : celle de 1889, pour laquelle la tour Eiffel est construite, et celle de 1900, qui inaugure la première ligne du métro, le Grand Palais, le Petit Palais et le pont Alexandre-III.
L'industrie se déplace progressivement en banlieue, mais certaines activités restent en ville, notamment la presse et l'imprimerie. De la Belle Époque aux Années folles, Paris atteint son apogée culturelle, attirant des artistes comme Picasso, Matisse et Braque.
L'entre-deux-guerres est marqué par une crise sociale et économique. La loi Loucheur crée des habitations à bon marché pour répondre à la crise du logement. Paris intra-muros atteint une densité urbaine maximale en 1921 avec 2 906 000 habitants. Des lotissements se développent en banlieue, souvent de manière anarchique.
Les Parisiens tentent de reprendre leur prééminence politique malgré des scandales financiers. Le 6 février 1934, une manifestation dégénère en émeute, et le 14 juillet 1935, un défilé en faveur du Front populaire rassemble 500 000 manifestants.
Pendant la Seconde Guerre mondiale, Paris est occupée par la Wehrmacht le 14 juin 1940. La ville est relativement épargnée par les combats. Le 23 décembre 1940, Jacques Bonsergent est le premier résistant fusillé à Paris. Les 16 et 17 juillet 1942, la rafle du Vel' d'Hiv' entraîne l'arrestation de 12 884 Juifs.
Le 19 août 1944, la Résistance intérieure déclenche un soulèvement armé. La Libération de Paris se fait le 25 août avec l'entrée de la 2e division blindée du général Leclerc et de la 4e division d'infanterie américaine. Le général von Choltitz capitule sans détruire les monuments de la ville. Paris est l'une des rares communes de France à recevoir le titre de compagnon de la Libération.
Sous les mandats du général de Gaulle (1958-1969), plusieurs événements politiques marquent Paris. Le 17 octobre 1961, une manifestation pour l'indépendance de l'Algérie est violemment réprimée, causant entre 32 et 325 morts. En mai 1968, un mouvement étudiant à Nanterre entraîne des émeutes dans le quartier latin, culminant en une crise politique et sociale. Le 13 mai, 800 000 personnes manifestent contre les violences policières, et le 30 mai, un million de personnes soutiennent de Gaulle. Après deux mois de troubles, les élections législatives de juin 1968 ramènent le calme.
Georges Pompidou, successeur de de Gaulle, laisse son nom au Centre Pompidou et à la voie express rive droite. Valéry Giscard d'Estaing, président suivant, remet en cause certains projets de modernisation. En 1976, Paris obtient une municipalité autonome, et Jacques Chirac est élu maire. Sous François Mitterrand, une réforme de décentralisation en 1982 dote chaque arrondissement d'un maire et d'un conseil municipal.
En 1991, les quais de la Seine sont classés au patrimoine mondial de l'UNESCO. Jacques Chirac, élu président en 1995, est remplacé par Jean Tiberi, dont le mandat est marqué par des affaires politico-financières. En 2001, Bertrand Delanoë devient maire de Paris, réélu en 2008. Il réduit la place de l'automobile et développe des manifestations culturelles comme Nuit Blanche et Paris Plages. En 2014, Anne Hidalgo devient la première femme maire de Paris.
Depuis 2015, Paris subit une vague d'attentats terroristes islamistes. En janvier 2015, la tuerie contre Charlie Hebdo et la prise d'otage de l'Hyper Casher font 17 victimes. Le 13 novembre 2015, des attaques organisées par l'État islamique font 130 morts et des centaines de blessés. En 2017 et 2018, d'autres attaques terroristes frappent la capitale.