合肥在新石器時代，就有人類在此活動。春秋戰國時期，先後屬楚、吳、越，後又屬楚 [30] 。秦始皇二十六年（前221年），廢分封，立郡縣，合肥屬九江郡。
西漢高祖元年（前206年），項羽在九江郡地置九江王國。高祖四年（前203年），改九江王國為淮南王國。漢文帝六年（前174年），改淮南王國為淮南郡；十二年（前163年），復將淮南郡改為淮南王國。漢武帝元狩元年（前122年），改淮南王國為九江郡，轄合肥等縣，合肥縣名始見於此。漢武帝元封五年（前106年），置十三州，合肥縣屬揚州九江郡。
東漢光武帝建武元年（25年），改合肥縣為合肥侯國。漢獻帝建安五年（200年），廢合肥侯國，復改為合肥縣，揚州治合肥。
三國時，合肥縣屬魏國淮南郡，為揚州治。
西晉武帝太康元年（280年），改九江郡為淮南郡，合肥縣屬淮南郡。
東晉，南北分裂，合肥為雙方爭奪的重鎮，縣廢。南朝宋置南豫州， 於舊合肥縣地置汝陰縣。汝陰屬南豫州南汝陰郡，為郡治。梁武帝天監五年（506年）改屬汝陰郡。梁武帝普通七年（526年），以壽陽置豫州，汝陰為南豫州治。梁武帝太清元年（547年），置合州，汝陰屬合州汝陰郡，為州、郡治。北周宣帝大成元年（579年），合州為北周佔領。隋文帝開皇元年（581年），改汝陰縣為合肥縣，改合州為廬州，合肥屬廬州，為州治。大業初，改廬州為廬江郡，合肥屬廬江郡，為郡治。
唐高祖武德三年（620年），改廬江郡為廬州，治合肥。唐太宗貞觀元年（627年），置十道，合肥屬淮南道廬州。唐玄宗天寶元年（742年），改廬州為廬江郡，仍治合肥。唐肅宗乾元元年（758年），又改廬江郡為廬州。唐僖宗中和到唐昭宗天覆年間（883年-902年），楊行密先後為揚州刺史和吳王，轄合肥。
後梁到後唐（907年-936年），合肥縣屬吳國廬州，昭慶軍節度。後晉到後漢（936年-950年），合肥縣屬南唐廬州，保信軍節度。後周時（951年-960年），合肥縣屬後周廬州，保信軍節度。
北宋太宗淳化四年（993年），合肥縣屬淮南道廬州，為州治。宋太宗至道三年（997年），改道為路，合肥縣屬淮南路廬州，為州治。
宋神宗熙寧五年（1072年），淮南路分東西兩路，後並又分，合肥屬淮南西路廬州，為州治。宋朝廬州屬保信軍節度。南宋高宗紹興初，廬州寄治巢縣。紹興十年（1141年），合肥為金朝佔領，旋即收復。宋孝宗乾道五年（1169年），廬州仍治合肥。
元世祖至元十四年（1277年），升廬州為廬州路，隸淮西江北道，合肥屬淮西道廬州路。至元二十八年（1290年），合肥縣屬河南江北行省廬州路。元泰定二年（1325年），合肥縣仍屬淮西道廬州路。元順帝至正十二年（1352年），合肥縣復屬河南江北行省廬州路。至正二十四年（1363年），朱元璋佔廬州，改路為府，置江淮中書行省於此，合肥縣屬江淮行省廬州府，不久改屬江浙行省廬州府，為府治。
明太祖洪武元年（1368年），合肥改屬中書省直隸廬州府，為府治。洪武十三年（1379年），合肥改屬六部直隸廬州府，為府治。明成祖永樂十八年（1420年）置南京直隸，合肥屬南京直隸廬州府，為府治。
清朝順治二年（1645年），改南京直隸為江南省，合肥縣屬江南省廬州府，為府治。順治十八年（1660年），設江南左右布政使司，江南左布政使司轄廬州等府、州。清朝康熙六年（1664年），江南左布政使司改為安徽布政使司，安徽正式建省，合肥縣屬安徽省廬州府。清朝咸豐三年到十一年（1853年-1861年），安徽巡撫治於合肥縣。
民國元年（1912年），廬州府廢，合肥縣直屬安徽省。民國三年（191 4年），全省分為三道，合肥縣屬安慶道。
民國十七年（1928年），廢道，合肥縣直屬安徽省。
民國二十一年（1932年），置行政督察區，合肥縣屬安徽省第三行政督察區。
民國二十七年（1938年）5月，日軍侵佔合肥縣，國民政府將縣政府撤至大潛山北麓鴿子籠圩子（今合肥肥西縣銘傳鄉）。
民國二十九年（1942年），合肥縣改屬安徽省第二行政督察區。民國三十四年（1945年）8月復治合肥城。
民國三十四年（1945年）抗戰勝利後，國民政府將安徽省省會遷至合肥縣，合肥成為安徽省的省會。民國三十七年（1948年）12月，析、取合肥縣西鄉、南鄉建立的肥西縣；次年1949年2月1日再次析合肥縣東鄉、北鄉為肥東縣。
1949年1月21日，合肥縣和平解放，同年2月，合肥設市。
1952年，安徽省人民政府正式在合肥市成立。
1965年由壽縣、定遠、肥東、肥西四縣的邊緣結合部劃並而成長豐縣，該縣也成為合肥市第一個市轄縣。
2011年8月，地級巢湖市拆分，廬江縣與縣級巢湖市劃歸合肥市管轄。
2018年9月，在第十五屆海峽兩岸信息產業和技術標準論壇期間，合肥市被授牌成為“海峽兩岸集成電路產業合作試驗區”。
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