Тракийска Месамбрия (VI–I в. пр.Хр.)
Селището е основано около 510 г. пр.Хр. от дорийски колонисти от Мегара върху тракийски пост, а към 494 г. пр.Хр. към тях се прибавят и заселници от Калхедон и Византион. Първоначалното тракийско име е Мелсамбрия — по тракийския водач Мелса и наставката '-бриа' (на тракийски 'град') — по-късно гърцизирано в Месамбрия. От този период датират крепостни стени и теракотени находки в Археологическия музей.
Римски период (I в. пр.Хр. – IV в. сл.Хр.)
След включването в Римската империя Месамбрия става оживен пристанищен град — сече собствени монети и разширява търговските си връзки. От римската епоха са запазени бани и участъци от крепостната стена.
Византия и Средновековна България (V–XIV в.)
Градът е включван последователно във Византия и Първата и Втората българска държава — сменял е владетели няколко пъти. През есента на 812 г. след двуседмична обсада хан Крум превзема Месамбрия и сред плячката заловен и съд с 'гръцки огън'. Княз Борис I го връща на Византия през 864 г., а по-късно цар Симеон Велики го завладява отново. През тази епоха са построени голяма част от църквите: Св. София (Стара митрополия), Христос Пантократор, Св. Йоан Алитургетос и др.
Османска епоха и Възраждане (1453–1878)
Под османска власт Несебър запазва статута си на християнски митрополитски град. През XVIII–XIX в. се изграждат характерните възрожденски къщи с дървени еркери, някои от които функционират и днес като музеи, хотели и ресторанти.
Освобождение и ЮНЕСКО (1878 — днес)
След Освобождението (1878) Несебър става българско рибарско селище. През 1956 г. Старият град е обявен за архитектурен и археологически резерват, а през 1983 г. е вписан в списъка на световното наследство на ЮНЕСКО. Днес градът е една от най-посещаваните дестинации по българското Черноморие.