Thrácká Mesambria (6.–1. stol. př. n. l.)
Osada byla založena kolem roku 510 př. n. l. dórskými kolonisty z Megary na místě thráckého stanoviště a kolem roku 494 př. n. l. se k nim přidali osadníci z Chalkedonu a Byzantia. Původní thrácké jméno bylo Melsambria — podle thráckého vůdce Melsy a přípony „-bria“ (thrácky „město“) — později pořečtěné na Mesambria. Z tohoto období pocházejí hradby a terakotové nálezy v Archeologickém muzeu.
Římské období (1. stol. př. n. l. – 4. stol. n. l.)
Po připojení k Římské říši se Mesambria stala rušným přístavním městem — razila vlastní mince a rozšiřovala své obchodní styky. Z římské epochy se dochovaly lázně a úseky hradby.
Byzanc a středověké Bulharsko (5.–14. stol.)
Město bylo postupně součástí Byzance a Prvního a Druhého bulharského státu — několikrát změnilo vládce. Na podzim roku 812 dobyl chán Krum po dvoutýdenním obléhání Mesambrii a mezi kořistí byla i nádoba s „řeckým ohněm“. Kníže Boris I. je v roce 864 vrátil Byzanci a později je car Simeon Veliký znovu dobyl. V této epoše byla postavena velká část kostelů: sv. Sofie (Stará metropolie), Kristus Pantokrator, sv. Jan Aliturgetos a další.
Osmanská epocha a národní obrození (1453–1878)
Pod osmanskou vládou si Nesebar zachoval status křesťanského metropolitního města. V 18.–19. stol. vznikly charakteristické domy z období národního obrození s dřevěnými arkýři, z nichž některé dodnes fungují jako muzea, hotely a restaurace.
Osvobození a UNESCO (1878 — dnes)
Po osvobození (1878) se Nesebar stal bulharskou rybářskou osadou. V roce 1956 bylo Staré město vyhlášeno architektonickou a archeologickou rezervací a v roce 1983 bylo zapsáno na seznam světového dědictví UNESCO. Dnes je město jednou z nejnavštěvovanějších destinací na bulharském Černomoří.