Die Römer legten bereits im 1.Jahrhundert n.Chr. an der Stelle des heutigen Wiener Stadtzentrums nahe der Donau ein Militärlager mit der angeschlossenen Zivilstadt Vindobona zur Grenzsicherung der Provinz Pannonien an. Noch heute kann man an den Straßenzügen der Innenstadt Wiens den Mauerverlauf und die Straßen des Lagers erkennen. Die Lagermauer verlief entlang der Straßenzüge: Tiefer Graben, Naglergasse, Am Graben, Kramergasse, Rotgasse, Rabensteig und etwa parallel zum Salzgries. Durch den Verlauf der Donau wurde von der streng rechteckigen Grundform abgewichen. Damit erreichte das Lager eine Breite von ca. 455 m und eine Länge bis 500 m. Mit dem Bau des Legionslager von Vindobona wurde um 97 n. Chr. begonnen. Die am Judenplatz archäologisch erforschten Kasernen waren zunächst aus Holz errichtet. Zwischen den Kasernen verlief eine geschotterte Straße mit beidseitigen Abflussrinnen. Um 150 n. Chr. wurden sie durch Steinbauten ersetzt. Die Fundamente und tragende Innenmauern wurden mit Bruchsteinen und Mörtel hochgezogen. Im Jahr 180 n.Chr. starb hier der römische Kaiser Marcus Aurelius auf einem Feldzug gegen die Markomannen. Die Römer blieben bis ins 5.Jahrhundert. Die ursprgl. keltische Siedlung Vindobona und spätere römisches Legionslager im heutigen Wien lag weit im Osten des weströmischen Reiches und fiel daher den Wirren der germanischen Völkerwanderung rasch zum Opfer. Es gibt Hinweise auf ein katastrophales Feuer etwa zu Beginn des 5. Jahrhunderts n. Chr.

Die erste urkundliche Erwähnung im Mittelalter erfolgte im Jahr 881 in den Salzburger Annalen, wo "apud Weniam" eine Schlacht gegen die Magyaren stattfand, wobei unklar ist, ob es sich um die Stadt oder um den Wienfluss handelt. Der ostfränkische König Otto I. besiegte die Magyaren im Jahr 955 in der Schlacht auf dem Lechfeld. Damit begann für das frühe Wien der Weg ins Mittelalter. Bereits im 11. Jahrhundert war Wien ein wichtiger Handelsort.  Die Ereignisse nach dem 3. Kreuzzug, in deren Verlauf der englische König Richard Löwenherz von Markgraf Leopold V. zwei Tage vor Weihnachten 1192 in Erdberg bei Wien gefangen genommen wurde, brachten ein enormes Lösegeld von 50.000 Mark Silber (etwa 10-12 Tonnen Silber, ein Drittel der Forderungen des Kaisers an die Engländer; Richard war ja im März 1193 an diesen ausgeliefert worden). Damit wurde in Wien eine Münzprägestätte eingerichtet und um das Jahr 1200 die Wiener Stadtmauer gebaut. An der U-Bahn-Station Stubentor sind noch heute Reste der Stadtmauer zu sehen. Leopold V. wurde von Papst Coelestin III. jedoch exkommuniziert, da er sich an einem geschützten Kreuzfahrer vergriffen hatte und starb nach einem Sturz vom Pferd in einem Turnier ohne Aufhebung der Exkommunikation.

Ab dem Jahr 1221 bekam Wien das Stadt- und Stapelrecht verliehen. Letzteres bedeutete, dass Kaufleute, die durch Wien zogen, in der Stadt ihre Waren zum Verkauf anbieten mussten. Dies ermöglichte den Wienern den Zwischenhandel, so dass Wien bald weitreichende Handelsbeziehungen, insbesondere entlang der Donaustraße und nach Venedig, unterhielt und als eine der bedeutendsten Städte des Reichsgebiets galt. Umso schmerzlicher wurde mehr und mehr empfunden, dass Wien keinen eigenen Bischof hatte: es gehörte zur Zuständigkeit Passaus. Von Herzog Friedrich II. weiß man, dass er darüber verhandelte, in Wien ein Bistum zu errichten. Im Jahr 1278 nahm Rudolf I. nach einem Sieg über Ottokar II. von Böhmen die österreichischen Länder unter eigene Verwaltung und begann damit die Herrschaft der Habsburger. In Wien brauchten die Habsburger allerdings relativ lange, um sich zu etablieren, die Parteigänger Ottokars blieben noch lange stark. Gegen Albrecht I. gab es mehrere Aufstandsversuche. Um 1280 wird das Fürstenbuch, die erste Geschichte der Stadt Wien, geschrieben. Mit den Luxemburger-Kaisern wird Prag zur Residenzstadt, in deren Schatten Wien steht. Die frühen Habsburger versuchen, die Stadt auszubauen, um Schritt zu halten. Herzog Albrecht II. ließ den gotischen Chor von St. Stephan bauen. Große Verdienste erwarb sich Rudolf IV., der durch eine kluge Wirtschaftspolitik den Wohlstand hob. Zwei Dinge haben ihm den Beinamen der Stifter eingetragen: die Gründung der Universität im Jahr 1365 und der Bau des gotischen Langhauses von St. Stephan. Letzteres ist der Gründung eines Metropolitan-Kapitels verbunden, das ein symbolischer Ersatz für den noch immer nicht vorhandenen Bischof sein sollte.

Die Zeit der Erbstreitigkeiten unter den Habsburgern brachte nicht nur viele Wirren, sondern auch einen wirtschaftlichen Niedergang. Ab 1438 wurde Wien nach der Wahl Herzog Albrecht V. zum deutschen König Albrecht II. zur Reichshauptstadt. Mit dem Namen Albrechts ist auch die großangelegte Vertreibung und Ermordung der Wiener Juden 1421/22 verbunden. Um 1469 wurde Wien endlich Bischofssitz. Die Kirche St.Stephan wurde zur Kathedrale. Im Jahr 1556 wurde Wien schließlich Sitz des Kaisers, nachdem Ungarn und Böhmen zum Herrschaftsbereich der Habsburger hinzugekommen waren. Dies ist auch die Zeit der Rekatholisierung der Stadt, die ziemlich rasch protestantisch geworden war. Im Jahr 1551 wurden die Jesuiten geholt, die rasch großen Einfluss am Hof erlangten. Im Jahre 1529 wurde Wien das erste Mal von den Türken belagert. Die durch mittelalterliche Mauern geschützte Stadt konnte den Angriffen nur mit Mühe standhalten, bis schließlich ausgebrochene Seuchen und ein befürchteter früher Wintereinbruch die Türken zum Rückzug zwangen. Durch die Belagerung war die Notwendigkeit zeitgemäßer Befestigungsanlagen deutlich geworden. Nach Plänen von Hermes Schallauzer  wird Wien seit 1548 zu einer Festung ausgebaut. Die Stadt wurde mit 11 Bastionen aus Mauerwerk versehen und von einem Graben umgeben. Um Wien entstand ein sog. Glacis, ein breiter, unverbauter Bereich, der den Verteidigern ein freies Schussfeld ermöglichte. Diese Befestigungsbauten, die bis ins 17.Jahrhundert den Hauptteil der Bautätigkeit ausmachten, sollten sich 1683 bei der zweiten Belagerung durch die Türken auszahlen, denn sie schützten die Stadt zwei Monate lang, bis die türkische Armee wegen des Eintreffens des vom Polenkönig Jan Sobieski angeführten Entsatzheeres ihre Kampfrichtung änderte und somit die Belagerung auch diesmal erfolglos endete. Dies war der Beginn des endgültigen Zurückdrängens des Osmanischen Reiches.

In der Folge setzte rege Bautätigkeit ein. Im Zuge des Wiederaufbaus wurde Wien weitgehend barockisiert. Dies ist vor allem mit den Namen der Architekten Johann Bernhard Fischer von Erlach und Johannes Lukas von Hildebrandt verbunden. Vor allem in den Vorstädten wurde viel gebaut, der Adel begann das ganze Umland mit seinen Gartenpalais zu überziehen. Am bekanntesten sind die Palais Liechtenstein, Schönborn und Schwarzenberg, sowie vor allem das Schloss Belvedere, das Gartenpalais des Prinzen Eugen. Im Jahr 1704 bekamen die Vorstädte ihr eigenes, großzügig angelegtes Befestigungssystem, den Linienwall. Nach den letzten großen Pest-Epedemien in den Jahren 1679 und 1713 wuchs die Bevölkerung ständig. Für 1724 schätzt man 150.000 Einwohner, um 1790 waren es bereits 200.000. Zu dieser Zeit wurden auch die ersten Manufakturen gegründet, die erste in der Leopoldstadt. Die Leopoldstadt entwickelte sich an der Stelle des um 1620 eingerichteten jüdischen Ghetto, aus dem die Juden allerdings 1670 wieder vertrieben worden waren. Auch das Problem der Hygiene wird langsam wahrgenommen: Kanalisation und Straßenreinigung entwickeln sich. Ebenso fällt die Einführung der ersten Hausnummern (der Konskriptionsnummern) in diese Zeit, sowie die Anfänge eines staatlichen Postsystems. Unter Kaiser Joseph II. wurde im Jahr 1783 die Stadtverwaltung modernisiert: es wurden eigene Beamte für die Stadt eingeführt. Zur selben Zeit wurden auch die innerstädtischen Friedhöfe aufgelöst.

In den großen Koalitionskriegen wurde Wien gleich zweimal von Napoleons Truppen eingenommen. Die erste Eroberung am 13.11.1805 war jedoch kampflos: Drei französische Marschälle kamen mit weißer Fahne über die Taborbrücke, die damals einzige und stark verteidigte Donaubrücke, und überzeugten den österreichischen Befehlshaber, dass der Krieg eigentlich schon vorbei sei. In der Zwischenzeit konnte die französische Armee ungehindert einziehen und wurden von der Bevölkerung eher neugierig als ablehnend begrüßt. Napoléon, der tags darauf im Schloss Schönbrunn Quartier bezog, ließ denn auch 10.000 Männer der Wiener Nationalgarde bewaffnet und überließ ihnen später bei seinem Abzug wieder das unbeschädigte Waffenarsenal. Die zweite Besetzung Wiens im Jahr 1809 hingegen gelang nur nach schwerem Beschuss. Kurz darauf hatte aber Napoléon in der Schlacht bei Aspern seine erste größere Niederlage zu verkraften. Nachdem Napoléon in den folgenden Befreiungskriegen endgültig besiegt war, fand in Wien vom 18.09.1814 bis zum 09.06.1815 der sog. Wiener Kongress statt, der die politischen Verhältnisse in Europa neu ordnete. In der ersten Hälfte dieses Jahrhunderts kam es zu einer intensiven Industrialisierung Wiens. Im Jahr 1837 folgte der Anschluss ans Eisenbahnnetz. Die Französische Februarrevolution 1848 wirkte sich auch in Wien aus. Am 13.03.1848 brach zunächst die Märzrevolution aus aus, die Metternich schließlich zum Rücktritt zwang, am 06.10.1848 dann die Wiener Oktoberrevolution. Ab dem Jahre 1850 wurde die Stadt erweitert, indem vor allem der Bereich innerhalb des Linienwalls eingemeindet und in Bezirke unterteilt wurde. Auf diese Weise wurde die bisherige Stadt zum I. Bezirk, alle bisherigen Vorstädte zu den Bezirken II-IX. Ab 1858 wurden die Befestigungsanlagen geschleift und an ihrer Stelle die heutige Ringstraße gebaut, die mit Monumentalbauten gesäumt wurde. Vom „Ringstraßenstil“ ist Wien architektonisch entscheidend geprägt. Diese Zeit gipfelte in der Weltausstellung im Jahr 1873, unmittelbar nachdem der große Börsenkrach erfolgte, mit dem die Gründerzeit zu Ende ging.

Nach der großen Überschwemmung im Jahr 1830 hatte es immer wieder Überlegungen zu einer Donauregulierung gegeben, diese wurde über 30 Jahre später durchgeführt. Die vielen verästelten Seitenarme der Donau wurden abgegraben und ein schnurgerader Hauptstrom abseits der Stadt geschaffen. Der Arm, der zur inneren Stadt führte wurde in verengter Form belassen, er erhielt den (irreführenden) Namen Donaukanal. In dieser Zeit stieg die Bevölkerung Wiens stark an, vor allem aufgrund der starken Zuwanderung. Die seit 1869 regelmäßig durchgeführten Volkszählungen zeigten schließlich im Jahr 1910 den historischen Höchstwert von 2.031.000 Einwohnern. Um 1900 wurde Wien auch zu einem Zentrum des Jugendstils, der vor allem mit Otto Wagner und der Künstlervereinigung Secession (nach der das charakteristische Gebäude am Karlsplatz benannt wurde) verbunden ist. Im Jahr 1890 kam es zur zweiten großen Stadterweiterung: die Vororte wurden als Bezirke XI-XIX organisiert. Ab 1900 wurde die Leopoldstadt geteilt und der XX. Bezirk (Brigittenau) gegründet.  1904 wurde auch noch Floridsdorf als XXI. Bezirk eingemeindet. Der 1. Weltkrieg von 1914 bis 1918 führte zwar nicht zu einer unmittelbaren Bedrohung Wiens, jedoch zu einer verheerenden Versorgungskrise aufgrund der wirtschaftlichen Blockade der Entente-Mächte, die insbesondere zu einer Verknappung der Nahrung und Bekleidung führte. Das Ende des Weltkrieges war zugleich auch das Ende der Österreich-ungarischen Monarchie. Am 12.11.1918 wurde vor dem Parlament in Wien die Republik Deutsch-Österreich ausgerufen, deren Name 1919 auf Republik Österreich geändert werden musste. Aufgrund des nun kleineren Staatsgebietes war Wien im Verhältnis dazu zu groß. Die Bevölkerung konzentrierte sich in der Hauptstadt, die deshalb und wegen der damit verbundenen Belastungen auch oft „Wasserkopf“ genannt wurde.

Im Jahr 1921 wurde Wien durch das „Trennungsgesetz“ vom umgebenden Niederösterreich abgetrennt und zum eigenen Bundesland erklärt. Die schon seit Ende des ersten Weltkrieges in Wien dominierenden Sozialdemokraten stellten nun die Stadtverwaltung. Seitdem spricht man auch vom „Roten Wien“. Jedoch wuchsen angesichts einer schwieriger werdenden wirtschaftlichen Lage die politische Radikalisierung und die Polarisierung zwischen den politischen Lagern. Auf sozialdemokratischer Seite bildete sich 1923/1924 aus den Ordnerformationen der Sozialdemokratischen Partei der Republikanische Schutzbund, eine gut organisierte und ausgerüstete paramilitärische Organisation. Auf der anderen Seite stand die Heimwehr, die sich direkt nach Ende des ersten Weltkriegs aus Ortswehren und ähnlichen Kampfverbänden gebildet hatte und als Gegenpart zur Arbeiterschaft auch von Großindustriellen unterstützt wurden. Letztere zerfielen in einen monarchistischen und einen deutsch-nationalen Flügel. Der Brand des Justizpalastes 1927 nach einem Fehlurteil im Zusammenhang mit tätlichen Demonstrationen, der Zusammenbruch einer der größten Banken des Landes und schließlich die Auflösung des Parlaments im Jahr 1933 markierten den Weg zum Bürgerkrieg im Februar 1934. 

Im Jahr 1938 erfolgte der "Anschluss an das Deutsche Reich" durch Adolf Hitler. Die auf die Vernichtung der Juden zielende Politik Hitlers fiel beim in Wien schon viele Jahrhunderte alten und seit Beginn des 20. Jahrhunderts zunehmenden Antisemitismus auf fruchtbaren Boden. Bei den Novemberpogromen wurden 92 Synagogen in Wien zerstört. Nach dem 2. Weltkrieg wurde Wien ebenso wie Berlin eine Vier-Sektoren-Stadt unter alliierter Verwaltung. Schon wenige Tage nach Ende der Kämpfe wurde eine provisorische Stadtregierung und Stadtverwaltung eingerichtet. Der Kommunist Rudolf Prikyl wurde am 13. April kurzfristig zum Bürgermeister ernannt. Bereits drei Tage später wurde er von Theodor Körner abgelöst. Auch die politischen Parteien formierten sich wieder. Am 29.April wurde das Parlamentsgebäude von der Besatzungsmacht an die neue Regierung übergeben und Dr. Karl Renner verkündete die Wiederherstellung der demokratischen Republik Österreich. Bald nach Kriegsende (im April 1945) wurde eine provisorische Gemeindeverwaltung konstituiert, die politischen Parteien wurden neu gegründet. Im November 1945 wurden die ersten Gemeinderatswahlen abgehalten. Von den 100 Mandaten des Wiener Gemeinderates erhielt die Sozialistische Partei SPÖ 58, die Volkspartei ÖVP 36 und die Kommunistische Partei KPÖ 6. Im Jahr 1946 wurde das so genannte „Gebietsänderungsgesetz“ beschlossen, das die Stadterweiterung von 1938 wieder rückgängig machte. Ein Veto der Besatzungsmächte verhinderte das Gesetz bis zu seiner endgültigen Realisierung 1954. Nur zwei Bezirke, die vor 1938 nicht zu Wien gehört hatten, wurden nun endgültig Teil von Wien: der 22. Bezirk (Donaustadt) nördlich der Donau und der 23. Bezirk (Liesing) im Süden.

Am 15. Mai 1955, erreichte das Land mit dem Österreichischen Staatsvertrag seine Freiheit zurück. Dieser Friedensvertrag wurde Staatsvertrag genannt, da der österreichische Staat nunmehr wiedererrichtet worden war. Nach dem Krieg erfolgte wie überall in Westeuropa ein beispielloser Wirtschaftsaufschwung, nicht zuletzt mit Hilfe des Marshall-Planes. Wichtig für Wien wurde die U-Bahn, deren erste Teilstrecke erst 1978 eröffnet wurde. In den 70er Jahren wurde der dritte Amtssitz der UNO mit der UNO-City errichtet. Mit Ende des 20.Jahrhunderts wurde in Wien eine Skyline mit den Hochhäusern "Andromeda Tower" und "Millennium Tower" am linken und rechten Donauufer geschaffen. Auch am Standort des Bahnhofs Wien Mitte wurde ein Hochhaus-Komplex geplant, der möglicherweise den Status des 1. Bezirks als UNESCO-Weltkulturerbe gefährdet hätte. Das Projekt wurde inzwischen jedoch verworfen. Bei den Gemeinderatswahlen im Jahr 2001 erreichten die Sozialdemokraten die absolute Mehrheit, die sie 2005 verteidigen konnten. Nach dem Ausscheiden des Liberalen Forums aus dem Rathaus sind nur noch vier Parteien im Gemeinderat vertreten. Wien und München sind die ersten deutschsprachigen Großstädte, die auf das Computersystem Linux setzen. Seit Ende Januar 2005 wird Linux in Wien auf behördlichen Computern eingesetzt.