L'origine del nome di Cagliari è ancora oggi molto dibattuta tra gli studiosi. La radice del nome si fa risalire al suffisso "Kar", cui si attribuisce il significato di pietra o roccia, oppure "Kal", inteso come cala o insenatura, di derivazione fenicia o, secondo alcuni, protosarda. La città in antichità era considerata, quindi, come una grande pietraia o insenatura. I cartaginesi la chiamarono Krly, la quale diventò in seguito Karaly. Nelle fonti romane si trova spesso il termine Caralis. Diversi studiosi, tra cui Probo (I secolo d. C.), usavano il termine Carales, al plurale ed al femminile. Nei miliari romani il nome è indicato sempre al plurale, ma con la K iniziale: Karales.
L'utilizzo del plurale in antichità era molto frequente nei toponimi di importanti località di mare (ne sono un esempio Athenae, Syracusae, Pisae, Cumae), perché le più grandi città, come nel caso di Carales, erano formate da tanti piccoli agglomerati che, uniti assieme, costituivano un'unica città. Col passare dei secoli il nome ebbe un'evoluzione da Caralis o Carales, divenne Calaris o Calares, ed anche Callares, con l'acquisizione della doppia "l". Al tempo della dominazione pisana subì l'influsso della parlata toscana con la ripetizione della "l", con la conseguente trasformazione in Càllari.
Con gli spagnoli divenne, poi, definitivamente, Cagliari, secondo il modulo di Castilla che pronuncia la doppia "l", "gli". Per tutti i sardi Cagliari, è semplicemente Casteddu, estendendo all'intera città il nome del quartiere storico di Castello, fondato dai pisani agli albori del XIII secolo dopo Cristo.

Le origini della città di Cagliari sono antichissime. L'area intorno alla quale essa si è sviluppata fu frequentata dall'uomo già dal periodo preistorico, come dimostrano le numerose testimonianze rinvenute nella grotta di Sant'Elia, nella grotta di San Bartolomeo, nella grotta dei Colombi e nel colle di Monte Claro, che diede il nome a quella originale civiltà che fiorì tra il 2500-2000 a.C. Grazie alla sua posizione geografica al centro del Mediterraneo, , sin dall'antichità le coste di Cagliari hanno rappresentato un sicuro approdo per tutti quei popoli che solcavano il mare con le loro agili navi. I primi a sbarcare nel golfo di Cagliari furono i fenici. Ad essi seguirono, in ordine cronologico, i cartaginesi, i romani, i vandali, i goti, i bizantini, gli arabi, i pisani, gli aragonesi e gli spagnoli, gli austriaci ed, infine, i piemontesi.

La nascita di Cagliari si fa risalire intorno al VI secolo a.C. in seguito all'insediamento di popolazioni fenicio-puniche provenienti dal mare. Già dall'VIII secolo, i navigatori fenici avevano stabilito nel promontorio di Sant'Elia e nella laguna di Santa Gilla degli scali commerciali per i loro traffici. Furono i cartaginesi a dare a questo primitivo insediamento umano una struttura urbana. Essi approdarono nell'isola intorno al 509 a.C. in soccorso dei fenici, che erano entrati in conflitto con le popolazioni sarde indigene. Sotto il dominio di Cartagine la città si estendeva dalla laguna di Santa Gilla sino al colle di Bonaria.

I romani rimasero nell'isola sette secoli. Durante questo periodo di tempo, l'aspetto della città e la sua importanza crebbero, tanto che essa si affermò come uno dei centri più importanti dell'isola. Essa incrementò la vocazione commerciale che aveva avuto sin dalle sue origini. Nel porto si commerciava grano, sale e minerali. L'importanza di questi traffici è testimoniata dalla presenza di un reparto della flotta militare del Tirreno, che scortava le navi cariche di merci dirette nel porto di Ostia per proteggerle dal saccheggio dei pirati. Ad Ostia è stato rinvenuto un mosaico che attesta la partecipazione attiva nei commerci di "navicularii et negotiantes Karalitani" (trasportatori e uomini d'affari cagliaritani).

La Carales romana si estendeva dal viale Sant'Avendrace sino al colle di Bonaria, prediligendo le zone pianeggianti e trascurando i colli. Il foro era situato nell'attuale piazza del Carmine. Intorno a quest'area si trovavano anche il "Capitolium" (il tempio dedicato alla triade capitolina: Giove, Giunone e Minerva), la Basilica ed altri edifici riportati alla luce durante gli scavi dell'800. Un tempio-teatro fu rinvenuto in via Angioj tra il 1938-39. Diversi stabilimenti termali sono stati ritrovati nella zona compresa tra la Villa di Tigellio ed il Largo Carlo Felice. Abitazioni private erano ubicate tra via Tigellio, dove resistono ancora i resti di tre domus romane e di uno stabilimento termale, ed il Corso Vittorio Emanuele. I luoghi di sepoltura erano situati nelle vie d'accesso alla città: in viale Sant'Avendrace, sul colle di Bonaria ed in viale Regina Margherita dove, alla fine dell'800 venne rinvenuta una piccola necropoli di classiari, i marinai della flotta del Miseno.

La città si sviluppava in lunghezza fino sulle acque del mare. Il poeta Claudiano, nel "De bello Gildonico", la descrive con queste parole:

La città, fondata dai potenti Fenici di Tiro, si sviluppa notevolmente nel senso della lunghezza di fronte alla costa libica e si insinua nel mare con un piccolo colle che spezza la violenza dei venti opposti. Così, nel mezzo, si forma un porto e in un'ampia insenatura, sicure da tutti i venti, riposano le acque... (traduzione dall'originale latino di Prof. Piero Meloni in "La Sardegna romana", pag. 207).
Floro, nel I-II secolo d. C., la definì: Urbs urbium, la città più importante tra le città della Sardegna. Sotto la dominazione romana infatti, il centro abitato si espanse; il numero degli abitanti crebbe raggiungendo le 20.000 unità. Cesare, che vi soggiornò tra il 16 ed il 28 aprile del 46, le attribuì lo statuto di Municipium italicum, premiandola per la fedeltà dimostratagli durante la guerra civile contro Pompeo. Nei primi secoli dopo Cristo attraverso la città si diffuse in tutta l'isola il cristianesimo. Cagliari, durante le terribili persecuzioni che la nuova religione dovette subire, pianse i suoi martiri. I più venerati, ancora oggi, sono: il condottiero romano, Efisio, protettore della città, ed il giovane martire Saturnino, patrono della città. Dopo la caduta dell'impero romano anche Cagliari visse i secoli bui delle invasioni barbariche.

La nascita del Giudicato di Cagliari e dei Giudicati di Torres, Arborea e Gallura, fu favorita dalla debolezza dell'impero di Bisanzio, incapace di difendere l'isola dalle continue scorrerie degli arabi, che dal 703-704 d.C. iniziarono a minacciare le coste meridionali della Sardegna. Per garantire maggiore sicurezza alle coste isolane, lo judex bizantino, residente a Cagliari, che aveva l'incarico di governare l'isola, concesse pieni poteri civili e militari ai giudici delle tre province (le meréie) di Torres, Arborea e Gallura, riservandosi la reggenza del giudicato di Cagliari.

Il rafforzamento del potere dei giudici locali portò, intorno al 900 d.C., alla nascita dei Giudicati: veri regni indipendenti governati ognuno dal proprio giudice. Ogni Giudicato aveva le sue frontiere, un suo parlamento, le proprie leggi (chiamate in sardo "cartas de logu") ed una propria lingua. Il Giudicato di Cagliari, chiamato anche Pluminus, era il più grande ed il più prosperoso. Esso si sviluppò nella parte sud orientale dell'isola. Ma non stabilì il proprio governo nella città, la quale era troppo esposta alle incursioni dei pirati arabi.

Le rivalità tra i quattro regni per l'egemonia sull'isola e l'ingerenza nei loro affari interni delle Repubbliche marinare di Pisa e Genova, ne causarono la decadenza. Il Giudicato di Cagliari, che nella lotta tra Pisa e Genova parteggiò per quest'ultima, cessò di esistere nel 1258, quando la capitale del regno, Santa Igia, venne distrutta dall'esercito alleato sardo-pisano. Fu così che si consolidò la presenza pisana in città.

Intorno al 1257, i pisani ebbero la meglio su Genova. Durante il loro governo l'aspetto di Cagliari cambiò radicalmente. La novità maggiore introdotta fu lo spostamento del nucleo urbano dalla zona lagunare, presso la quale si era stanziato per difendersi dalle aggressioni islamiche, al colle di Castello. I pisani avevano ottenuto la rocca di Castello, con le relative "pertinentiae", già dal 1217, estorcendola alla giudicessa di Cagliari, Benedetta. Essi isolarono il colle circondandolo di mura fortificate e di torri: la torre di San Pancrazio (1305) e la torre dell'Elefante (1307), soprannominate "le torri gemelle", ancora oggi si stagliano superbe nel cielo di Cagliari.

L'importanza del Castello crebbe dopo la distruzione, nel 1258, della capitale del regno giudicale, Santa Igia. I pisani dotarono Cagliari di un sistema difensivo capace di proteggere i loro commerci e di fronteggiare le incursioni islamiche e le mire aragonesi. Oltre le mura del Castello, essi costruirono delle fortificazioni attorno ai quartieri di Villanova, Marina e Stampace. In un primo momento, la città fu amministrata da un "Capitaneus" mandato da Pisa, in seguito, da due Castellani ed un Assessore ed ebbe un governo di tipo comunale con propri organi di governo ed uno statuto: il Breve Castelli Castri Callari.

Tuttavia i cagliaritani e gli stranieri rimasero esclusi dalle mura fortificate del Castello. Gli sforzi difensivi dei pisani non riuscirono a fermare gli eserciti della Corona d'Aragona i quali nel 1324 presero d'assedio il Castello.

Nel 1297, papa Bonifacio VIII creò il "Regno nominale di Sardegna e Corsica", investendone il re d'Aragona, Giacomo II. La conquista aragonese dell'isola tuttavvia iniziò soltanto nel 1323, dopo una lunga preparazione politica e militare. Giacomo II affidò la spedizione al figlio, l'Infante Alfonso. Giunto a Cagliari con il suo esercito, egli stabilì il suo quartier generale sul colle di fronter al Castello pisano, ribattezzandolo Bon ayre (Bonaria) per l'aria salubre che vi si respirava. Cinse d'assedio il nemico impedendogli ogni accesso al mare e costringendolo ad arrendersi per fame. Nel 1324 i pisani furono sconfitti e nel 1326 furono cacciati definitivamente dalla città.

Uno dei primi atti realizzati fu l'abolizione della legislazione pisana con l'approvazione di un nuovo statuto, il "Coeterum". Gli aragonesi amministrarono la città secondo il modello comunale barcellonese, assegnando tutti gli incarichi di governo a cittadini catalani, maiorchini, valenzani e aragonesi. Il Castello continuò ad essere il centro del potere politico, amministrativo ed economico. Castell de Bonayre invece si spopolò ed iniziò la sua decadenza. Gli aragonesi introdussero nell'isola un'istituzione sconosciuta all'organizzazione giudicale: il feudalesimo. Giacomo II, infatti, per ricompensare i nobili catalani, maiorchini ed aragonesi, ed in minima parte anche sardi, che l'avevano appoggiato finanziariamente e militarmente nella conquista del Regno di Sardegna (la Corsica non venne mai conquistata) concesse loro in feudo villaggi e territori da amministrare. Solo le sette città regie di Cagliari, Oristano, Sassari, Bosa, Alghero, Castelaragonese e Iglesias godettero di un regime particolare e di notevoli privilegi.

Nel 1355 Pietro IV d'Aragona, il Cerimonioso, introdusse nell'isola gli "Stamenti", istituzione parlamentare con funzioni consultive. In seguito la Sardegna godette dell'autonomia governativa e venne amministrata da un viceré, che risiedeva nel Palazzo Viceregio in Castello. I cagliaritani ed i sardi in genere continuarono ad essere esclusi dalle cariche di governo e dalle mura del Castello. Dal 1328 sino al 1583, uno squillo di tromba ("la trompeta de fora sarts") imponeva ai sardi di abbandonare il Castello ogni sera al tramonto, pena l'essere buttati giù dai bastioni!

Nel 1479, in seguito all'unificazione delle corone di Castiglia e di Aragona, nacque il regno di Spagna e l'isola passò sotto la dominazione spagnola. Nel 1492, venne istituito a Cagliari il Tribunale dell'Inquisizione spagnola. La vittima più illustre del terribile tribunale fu l'avvocato fiscale cagliaritano Sigismondo Arquer. Accusato di diffondere e praticare il luteranesimo, egli venne arso vivo a Toledo nel 1571. Il XVII secolo fu pervaso da un profondo sentimento religioso suscitato dalla "invencion de los cuerpos santos", ovvero dal ritrovamento delle reliquie dei santi martiri cagliaritani. A Cagliari, gli scavi alla ricerca delle sante reliquie furono inaugurati dall'arcivescovo spagnolo Francisco Desquivel. Questi fece costruire a sue spese, in cattedrale, il bellissimo Santuario dei Martiri in modo da dare una degna dimora alle spoglie dei santi martiri

Nei primi anni del 1600 a Cagliari fu istituita l' Università degli studi, allora nota come Studio Generale. Essa fu inaugurata ufficialmente nel 1626 con quattro facoltà: teologia, medicina, giurisprudenza e filosofia. La sua sede fu stabilita in un edificio di piazza Indipendenza (dove sorge oggi il Palazzo Sanjust).

Negli ultimi decenni di governo spagnolo, il perdurare dei dissapori per il possesso delle cariche del potere inasprì quel clima di sospetto e diffidenza che si era creato tra la nobiltà cagliaritana ed i rappresentanti della corona spagnola. Il malcontento degenerò in episodi di inusuale violenza in cui rimasero coinvolti alcuni notabili isolani. L'avvenimento più clamoroso fu l'omicidio, avvenuto il 21 luglio del 1668, del viceré Camarassa. I congiurati furono uccisi ed il marchese di Cea, Jacopo di Castelvì, accusato di aver capeggiato la rivolta fu decapitato nel 1671 nella piazzetta Carlo Alberto, in Castello. La sua testa per ben 17 anni rimase esposta dentro una gabbia, sopra l'ingresso della torre dell'Elefante: macabro avvertimento per scoraggiare nuovi tentativi di rivolta. In via Canelles, una lapide murata alla parete ricorda ancora l'episodio, "para perpetua nota de infamia".

Nel 1700, dopo la morte di Carlo II di Borbone, scoppiò la guerra di successione spagnola. Anche la città e l'isola ne rimasero coinvolte. Nel 1708, Cagliari fu bombardata dalla flotta inglese dell'ammiraglio Lake e venne occupata dalle truppe inglesi. In seguito al trattato di Utrecht (stipulato nel 1713) l'isola fu ceduta agli austriaci per un breve periodo, durante il quale ci fu l'inutile tentativo di riconquista spagnola. Nel 1718, il trattato di Londra la concedeva a Vittorio Amedeo II, duca di Savoia, che divenne così re di Sardegna coronando un sogno da lungo tempo inseguito, quello di indossare la corona regale.

Nel 1720 iniziò di fatto il governo piemontese nell'isola. I nuovi sovrani ereditarono una terra gravata da difficoltà economiche e sociali di notevole entità. La Sardegna spagnola era profondamente diversa dagli altri possedimenti sabaudi dell'Italia nord-occidentale. Erano diverse la storia, l'organizzazione sociale ed economica, la lingua e le tradizioni. Tuttavia, soltanto nel 1759, in seguito alla nomina del conte Giambattista Lorenzo Bogino, alla carica di Soprintendente della Segreteria di Stato per gli Affari della Sardegna si intrapresero delle importanti riforme che cercarono di uniformare da un lato, i costumi dei sardi con quelli degli altri stati del regno, dall'altro, di intervenire sulla disastrosa situazione interna dell'isola.

Nel 1764 venne ricostituita l'Università di Cagliari. Negli ultimi anni del 1700, si assistette ad un susseguirsi di importanti avvenimenti politici. L'episodio più clamoroso fu il tentativo di sbarco della flotta rivoluzionaria francese, comandata dall'ammiraglio Truguet. Alla fine del mese di dicembre del 1792 i francesi, a bordo delle loro navi da guerra, apparvero nel golfo di Cagliari. Il viceré piemontese Balbiano abbandonò l'isola ai francesi (tanto da alimentare il sospetto di un vero e proprio tradimento, commenta G. Sotgiu in "Storia della Sardegna sabauda"), dopo aver a lungo tergiversato sull'opportunità di resistere con le esigue forze militari di stanza sull'isola. Di fronte alla sua indecisione, furono i cosìddetti Stamenti, il Parlamento del Regno, a prendere in mano la situazione, organizzando la difesa della città e dell'isola.

Il clero offrì subito le sue ricchezze personali a sostegno e chiamò i fedeli a combattere una vera e propria crociata religiosa. La città si mobilitò immediatamente: il Fortino di Sant'Ignazio venne dotato di cannoni e nuovi e potenti bastioni furono edificati con gran velocità. Uno di questi fu intitolato al santo protettore Efisio, a cui Cagliari si rivolse invocandone la protezione. Le milizie popolari, capeggiate da Girolamo Pitzolo, respinsero i francesi sbarcati sulla spiaggia di Quartu. Cagliari fu bombardata, ma la flotta degli invasori venne respinta sino al mare. I sardi attribuirono la vittoria all'intervento di sant'Efisio.

Inorgogliti dal successo ottenuto contro la flotta francese e confidando nella riconoscenza del sovrano gli "Stamenti", con le famose Cinque domande, chiesero al re Vittorio Amedeo III una maggiore partecipazione al governo dell'isola con la riserva degli incarichi pubblici ai soli sardi, esclusa la carica di viceré. La delusione per il rifiuto che il sovrano oppose alle richieste avanzate dagli Stamenti e le continue provocazioni dei piemontesi residenti nell'isola sfociarono nel maggio 1794, a Cagliari, nella cacciata di tutti i piemontesi. Ogni anno, da quando una legge regionale (la Legge 14 settembre 1993, n 44) ha istituito il 28 aprile "Sa die de sa Sardinia",l'episodio viene ricordato con manifestazioni in costume che fanno rivivere gli eventi.

La situazione degenerò nel 1795 con l'uccisione del Pitzolo e del marchese della Planargia. Sull'ondata di questi eventi, ci fu in tutta l'isola una violenta esplosione di moti antifeudali: si chiedeva a gran voce l'abolizione del feudalesimo. I rivoltosi presero Sassari, costringendo i feudatari alla fuga. Al fine di riportare il Capo di sopra nella legalità, fu inviato da Cagliari come rappresentante del viceré, il giudice Giovanni Maria Angioj. La marcia trionfale dell'alternos verso Sassari, allo scopo di riportare l'ordine nelle campagne, risvegliò il sogno autonomista e parve imminente la proclamazione della repubblica. Le masse contadine lo accolsero festanti, ma al rientro verso Cagliari, la moltitudine guidata dall'Angioj incontrò le prime resistenze. Impauriti dall'incalzare degli eventi, i moderati che avevano appoggiato la missione dell'Angioj gli ritirarono il loro sostegno.

Il moto venne represso e l'alternos dovette fuggire in Francia, dove morì nel 1808. Soltanto nel 1823, con l'emanazione dell'Editto delle Chiudende, inizierà il lento e difficile processo dell'abolizione del feudalesimo nell'isola. Negli anni che seguirono, la città ospitò per quindici anni i re di Sardegna. Nel 1799 vi trovò rifugio Carlo Emanuele IV di Savoia, per sfuggire alle armate napoleoniche, e dal 1806 al 1814, il palazzo viceregio di Piazza Palazzo in Castello, divenne la reggia dimora di Vittorio Emanuele I. Nel 1812, ci fu un tentativo di assassinare Vittorio Emanuele I. La congiura, nota come congiura di Palabanda dal nome del luogo dove si riunivano i congiurati (nell'area dove sorge l'Orto Botanico), maturata in un anno di grave crisi economica fu capeggiata dall'avvocato cagliaritano Salvatore Cadeddu. Egli pagò con la vita la sua infedeltà alla corona sabauda. Nell'Orto Botanico, vicino alla vasca centrale, un lapide apposta nel 1992 ricorda questo tragico episodio.

Nel 1847, il comune di Cagliari ottenne dal re Carlo Alberto la firma del documento che estendeva ai sudditi sardi le leggi ed i regolamenti già in vigore nel resto dei possedimenti sabaudi. La fusione perfetta fu salutata dai cagliaritani con grandi manifestazioni di entusiasmo. Le conseguenze più importanti ed immediate per l'isola furono la soppressione del regime doganale separato, l'introduzione dei codici civili e penali, l'estensione dello Statuto Albertino (la costituzione concessa dal sovrano nel 1848) e l'abolizione della carica di viceré. Cessò così di esistere l'autonomo Regnum Sardiniae e Cagliari, da capitale di un Regno, diverrà capoluogo di provincia.

Un altro evento importante fu il decreto sulla soppressione delle piazzeforti, emanato nel 1866, che determinerà la distruzione delle mura dei quartieri della Marina, Stampace e Villanova, risparmiando solo quelle di Castello. Cagliari non sarà più una città fortificata. Da tempo oramai le mura ed i bastioni non assolvevano più al ruolo difensivo. Il bastione di Santa Caterina, già dal 1812, abbellito con gli alberi piantati dai forzati, era stato adibito a passeggiata. La stessa cosa avverrà, a partire dalla fine del XIX secolo, per i bastioni meridionali (grazie alla costruzione, tra il 1899 ed il 1902, del Bastione di Saint Remy) e settentrionali, l'Arsenale militare trasformato in Cittadella dei musei.

Risale a questo periodo la creazione di luoghi di passeggio e giardini: viale Buoncammino, viale Regina Margherita, ed i Giardini Pubblici. Nel 1822, durante il vicereame di Carlo Felice fu realizzata la strada che collega ancora oggi Cagliari a Sassari, la 131, ribattezzata la Carlo Felice, in onore del futuro sovrano.