Grecka Apollonia (610 p.n.e. – I w. p.n.e.)
Miasto zostało założone w 610 r. p.n.e. przez jońskich kolonistów z Miletu, początkowo pod nazwą Antheia, i wkrótce przemianowane na Apollonię Pontyjską — na cześć boga Apollina, któremu poświęcona była główna świątynia miasta. Apollonia szybko stała się jednym z najbogatszych polis na zachodnim wybrzeżu Morza Czarnego — biła własne srebrne monety z wizerunkiem kotwicy (symbolu miasta) i Apollina, a w jej świątyni wznosił się 13-metrowy posąg boga z brązu, dzieło ateńskiego rzeźbiarza Kalamisa z V w. p.n.e.
Rzymskie Sozopolis (I w. p.n.e. – IV w. n.e.)
W 72 r. p.n.e. rzymski wódz Marek Lukullus zdobył i spustoszył Apollonię, a kolosalny posąg Apollina przewieziono do Rzymu i ustawiono na Kapitolu. Miasto nigdy już nie odzyskało dawnej świetności. Tracja stała się rzymską prowincją w 46 r. n.e. za cesarza Klaudiusza, lecz Apollonia zachowała znaczenie handlowe. Nazwa Sozopolis — „Miasto ocalenia” — pojawia się w źródłach pisanych już w I w. n.e. Z epoki rzymskiej zachowały się odcinki murów obronnych i znaleziska w Muzeum Archeologicznym.
Bizancjum i średniowieczna Bułgaria (V–XIV w.)
Miasto stało się ważnym ośrodkiem chrześcijańskim i siedzibą biskupstwa. W IX w. zostało przyłączone do Pierwszego Państwa Bułgarskiego przez chana Kruma; później wielokrotnie przechodziło z rąk do rąk między Bizancjum a państwami bułgarskimi. Z tego okresu zachowały się wczesnośredniowieczne cerkwie, klasztor św. Jana Chrzciciela na wyspie św. Iwana oraz mury obronne.
Epoka osmańska i odrodzenie narodowe (1453–1878)
Pod panowaniem osmańskim Sozopol zachował znaczną ludność chrześcijańską oraz status rybackiego i handlowego miasta portowego. W XVIII–XIX w. powstały charakterystyczne domy z epoki odrodzenia narodowego — z kamienną podmurówką i drewnianym piętrem — które kształtują dzisiejszy wygląd Starego Miasta. Wiele z tych domów zachowało się i zamieniono je w muzea, hotele, galerie i tawerny.
Wyzwolenie i rezerwat (1878 — dziś)
Po wyzwoleniu Bułgarii (1878) Sozopol stał się małym bułgarskim miasteczkiem rybackim. 7 września 1974 r. postanowieniem nr 320 Rady Ministrów Stare Miasto zostało ogłoszone rezerwatem architektoniczno-archeologicznym „Starożytny Sozopol”, obejmującym ponad 180 domów z epoki odrodzenia narodowego. Od 1984 r. co roku we wrześniu odbywa się tu festiwal „Apollonia”. Dziś Sozopol jest jedną z najchętniej odwiedzanych miejscowości na bułgarskim wybrzeżu Morza Czarnego.