Tracka Mesambria (VI–I w. p.n.e.)
Osada została założona około 510 r. p.n.e. przez doryckich kolonistów z Megary na miejscu trackiego posterunku, a około 494 r. p.n.e. dołączyli do nich osadnicy z Chalcedonu i Bizancjum. Pierwotna tracka nazwa brzmiała Melsambria — od trackiego wodza Melsy i przyrostka „-bria” (w języku trackim „miasto”) — później zgrecyzowana na Mesambria. Z tego okresu pochodzą mury obronne i terakotowe znaleziska w Muzeum Archeologicznym.
Okres rzymski (I w. p.n.e. – IV w. n.e.)
Po włączeniu do Cesarstwa Rzymskiego Mesambria stała się tętniącym życiem miastem portowym — biła własne monety i rozszerzała swoje kontakty handlowe. Z epoki rzymskiej zachowały się łaźnie i odcinki muru obronnego.
Bizancjum i średniowieczna Bułgaria (V–XIV w.)
Miasto wchodziło kolejno w skład Bizancjum oraz Pierwszego i Drugiego Państwa Bułgarskiego — kilkakrotnie zmieniało władców. Jesienią 812 r., po dwutygodniowym oblężeniu, chan Krum zdobył Mesambrię, a wśród łupów znalazło się naczynie z „ogniem greckim”. Książę Borys I zwrócił miasto Bizancjum w 864 r., a później car Symeon Wielki zdobył je ponownie. W tej epoce zbudowano dużą część cerkwi: św. Zofii (Stara Metropolia), Chrystusa Pantokratora, św. Jana Aliturgetosa i inne.
Epoka osmańska i odrodzenie narodowe (1453–1878)
Pod panowaniem osmańskim Nesebyr zachował status chrześcijańskiego miasta metropolitalnego. W XVIII–XIX w. powstały charakterystyczne domy z okresu odrodzenia narodowego z drewnianymi wykuszami, z których część funkcjonuje do dziś jako muzea, hotele i restauracje.
Wyzwolenie i UNESCO (1878 — dziś)
Po wyzwoleniu (1878) Nesebyr stał się bułgarską osadą rybacką. W 1956 r. Stare Miasto zostało ogłoszone rezerwatem architektonicznym i archeologicznym, a w 1983 r. wpisane na listę światowego dziedzictwa UNESCO. Dziś miasto jest jedną z najczęściej odwiedzanych destynacji bułgarskiego wybrzeża Morza Czarnego.