A vila de São Paulo de Piratininga teve início em 25 de janeiro de 1554 com a construção de um colégio jesuíta, pelos padres Manuel da Nóbrega e José de Anchieta, entre os rios Anhangabaú e Tamanduateí. Tal colégio, que funcionava num barracão feito de taipa de pilão, tinha por finalidade a catequese dos índios que viviam na região.
O povoamento da região teve início em 1560, quando, por ordem de Mem de Sá, governador-geral da colônia, mandou a população da vila de Santo André da Borda do Campo para os arredores do colégio, denominado “Colégio de São Paulo de Piratininga” – o nome foi escolhido porque dia 25 de janeiro a Igreja Católica celebra a conversão do apóstolo Paulo de Tarso.
Desta forma, a vila de Santo André da Borda do Campo foi extinta, e São Paulo foi elevada à categoria de vila. São Paulo permaneceu, durante os dois séculos seguintes, como uma vila pobre e isolada do centro de gravidade da colônia, que se mantinha por meio de lavouras de subsistência.
Por ser a região mais pobre da colônia, em São Paulo teve início a atividade dos bandeirantes, que se dispersaram pelo interior do país à caça de índios, de ouro e de diamantes. A descoberta do ouro na região de Minas Gerais fez com que as atenções do reino se voltassem para São Paulo, que foi elevada à categoria de cidade em 1711. Quando o ouro esgotou, no final do século XVIII, teve início o ciclo paulista do açúcar, que se espalhou pelo interior da província, e a cidade de São Paulo tinha a finalidade de escoar a produção para o porto de Santos.
Após a Independência do Brasil, São Paulo recebeu o título de Imperial Cidade, conferido por Dom Pedro I do Brasil em 1823. Em 1827, houve a criação dos cursos jurídicos no Convento de São Francisco (que daria origem à futura Faculdade de Direito do Largo de São Francisco), e isso deu um novo impulso de crescimento à cidade, com o fluxo de estudantes e professores, juntamente com o crescimento da produção do café nas regiões de Campinas, Rio Claro, São Carlos e Ribeirão Preto, e graças a qual a cidade passa a ser denominada Imperial Cidade e Burgo dos Estudantes de São Paulo de Piratininga. De meados desse século até o seu final, foi o período que a província começou a receber uma grande quantidade de imigrantes, em boa parte italianos, dos quais muitos se fixaram na capital, e as primeiras indústrias começaram a se instalar.
De meados do século XIX em diante, São Paulo passa a se beneficiar da ferrovia que liga o interior do estado de São Paulo ao porto de Santos. A facilidade de exportar o café permite à cidade e ao estado de São Paulo um grande crescimento econômico. Mas é com o fim do Segundo Reinado que a Cidade de São Paulo, assim como o estado de São Paulo, tem grande crescimento econômico e populacional, também auxiliado pela política do café-com-leite.
O auge do período do café é representado pela construção da segunda Estação da Luz (o atual edifício) no fim do século XIX. Neste período, o centro financeiro da cidade desloca-se de seu centro histórico (região chamada de “Triângulo Histórico”) para áreas mais a Oeste. O vale do Rio Anhangabaú é ajardinado e a região do outro lado do rio passa a ser conhecida como Centro Novo. Os melhoramentos realizados na cidade pelos administradores João Teodoro e Antônio Prado contribuem para o clima de desenvolvimento: estudiosos consideram que a cidade inteira foi demolida e reconstruída. Com o crescimento industrial da cidade, no século XX, a área urbanizada da cidade passou a aumentar, sendo que alguns bairros residenciais foram construídos em lugares de chácaras. O grande surto industrial se deu durante a Segunda Guerra Mundial, devido à crise na cafeicultura e às restrições ao comércio internacional, o que fez a cidade ter uma taxa de crescimento muito elevada até os dias atuais.
Atualmente, o crescimento vem se desacelerando, devido ao crescimento industrial de outras regiões do Brasil, e o perfil da cidade vem se transformando de uma cidade industrial para uma metrópole de comércio, serviços e tecnologia, sendo que hoje é, por muitos, considerada a mais importante metrópole da América Latina.