Ngay từ thế kỷ thứ 10, vùng đất trung tâm thành phố Hưng Yên đã được tướng quân Phạm Bạch Hổ chọn làm nơi đặt lỵ sở Đằng Châu khi ông là một trong 12 sứ quân nổi dậy xưng hùng xưng bá. Năm 968, Đinh Bộ Lĩnh tập hợp lực lượng để dẹp loạn 12 sứ quân, Phạm Bạch Hổ theo về trở thành tướng nhà Đinh, được vua Đinh Tiên Hoàng phong chức Thân vệ Đại tướng quân và tiếp tục được giao cai quản và gây dựng vùng đất này.

Khu vực Phố Hiến nay thuộc thành phố Hưng Yên, vào thế kỷ 16, 17 là lỵ sở của trấn Sơn Nam thời nhà Hậu Lê. Sơn Nam lúc bấy giờ bao gồm phần lớn các tỉnh: Hưng Yên, Hà Nam, Nam Định, Thái Bình, Ninh Bình, Hà Tây(cũ)).[2].

Tháng 10 năm 1831 - niên hiệu Minh Mạng, triều đình Huế thực hiện một cuộc cải cách hành chính lớn trên toàn lãnh thổ Việt Nam, trong đó có việc xóa bỏ các đơn vị tổng, trấn... và chia cả nước lại thành 30 tỉnh. Tỉnh Hưng Yên theo đó được thành lập, lỵ sở của tỉnh được đóng ở khu vực Xích Đằng (phường Lam Sơn - thành phố Hưng Yên ngày nay).[2].

Sau Cách mạng Tháng Tám - 1945, thị xã Hưng Yên tiếp tục được chính quyền cách mạng chọn làm lỵ sở của tỉnh Hưng Yên.

Từ năm 1946 - 1954, chiến tranh Việt Nam bắt đầu. Trong thời gian chiếm đóng thị xã (từ 22/12/1949 - 05/8/1954), thực dân Pháp đã chiếm đóng nhiều công trình làm trụ sở làm việc như: Sở chỉ huy trung tâm quân sự đặt tại Nhà Thành (đường Phạm Ngũ Lão), Dinh Tỉnh trưởng đặt tại chùa Phố (đường Trưng Trắc), lính đóng ở đền Trần (đường Bãi Sậy), lính "Commandos" (chuyên đi phục kích) đóng ở nhà thờ Đạo và nhà hát Thăng Long, Ty tiểu học vụ đóng ở đền Thiên Hậu... Thị xã Hưng Yên là nơi tập trung đông quân lính, chức sắc của Pháp và vợ, con, gia đình. Số dân gốc ở thị xã phần lớn tản cư đi các nơi. Trong thời kỳ chiến tranh Việt Nam, thị xã Hưng Yên thực hiện "tiêu thổ kháng chiến". Hầu hết nhà cửa, đường giao thông, công sở bị phá hủy, chỉ còn lại một số công trình di tích lịch sử, văn hóa như: Nhà tu sĩ (Nhà Thành), nhà thờ Thiên Chúa giáo, đền Trần, đền Mẫu, đền Ủng, đình Hiến, chùa Hiến, đền Thiên Hậu, Đông Đô Quảng Hội, chùa Phố, chùa Chuông...

Ngày 5 tháng 8 năm 1954, thị xã Hưng Yên có 6 phố lớn (tương đương phường) và xã Hiến Nam. 6 phố lớn gồm: Hữu Môn, Mộc Sàng, Nguyệt Hồ, Tân Nhân, Tân Thị và Hậu Trường, được chia thành 20 phố nhỏ: Lê Lợi, Trưng Trắc, Trưng Nhị, Trần Hưng Đạo, Đồng Khánh, Đinh Tiên Hoàng, Bà Triệu, Nguyễn Thiện Thuật, Nguyễn Thị Giang, Nguyễn Du, Nguyễn Tri Phương, Phạm Ngũ Lão, Quang Trung, Hoàng Diệu, Trần Bình Trọng, Vĩnh Phúc, Bến Tầu, Đê Hoàng Cao Khải, Ngô Quyền, Chi Lăng. Xã Hiến Nam gồm 7 thôn: Nam Hòa, An Vũ, Nhân Dục, Mậu Dương, Lương Điền, Phương Cái, Nam Tiến.[3]

Tính đến ngày 5 tháng 10 năm 1954, cả thị xã Hưng Yên chỉ có 8.625 người, tập trung từ ngã tư An Vũ đến gốc Xanh, bao gồm: Công nhân, thợ thủ công, tiểu thương, nông dân, tiểu chủ, tiểu tư sản trí thức, tư sản dân tộc, tư sản kiêm địa chủ, địa chủ kiêm công thương, Hoa Kiều (12 hộ với 60 khẩu), người Công giáo (109 gia đình với 961 người) và một số dân nơi khác đến làm ăn buôn bán không cư trú cố định. Các cửa hàng cửa hiệu tại thị xã chủ yếu là: Thợ may, sửa chữa đồng hồ, đóng giày dép, gò hàn, sửa chữa xe đạp, cắt tóc, giặt là quần áo, trồng răng, làm hàng mã... Cơ sở sản xuất tiểu thủ công nghiệp còn nhỏ bé, số lượng lao động ít: Cả thị xã có 84 thợ may, 35 thợ cắt tóc, 10 thợ làm mũ, 10 thợ đóng giày, 12 thợ hàn thiếc, 46 công nhân bốc vác, 30 người kéo xe bò, 57 người kéo xe tay, 40 tài xế và phụ xe ô tô. Về nông nghiệp, ruộng đất bị bỏ hoang tới 482 mẫu, được cho là do Pháp lập "vành đai trắng" không cho dân cày cấy. Thị xã có một chợ buôn bán các mặt hàng tạp hóa, lương thực, thực phẩm và vật dụng gia đình.[3]

Ngày 13 tháng 2 năm 1955, Ủy ban Hành chính tỉnh Hưng Yên ra Quyết định số 51/TCCB đổi tên các phố: Phố Mộc Sàng ghép thêm thôn Nam Hòa lấy tên là phố Hoàng Hanh, phố Hữu Môn lấy tên là phố Trần Hưng Đạo, phố Tân Nhân hợp với phố Tân Thị thành phố Minh Khai, phố Nguyệt Hồ ghép thêm thôn Mậu Dương lấy tên là phố Quang Trung, phố Bến Tầu đổi tên thành phố Lê Hồng Phon.g[3] Ngày 6/4/1955, Ủy ban Hành chính tỉnh Hưng Yên ra Quyết định số 41j xã7/TCCB phân chia lại địa giới hành chính thị xã Hưng Yên, theo đó cắt 3 thôn: Lương Điền, Phương Cái, Nam Tiến về huyện Tiên Lữ và cắt 2 thôn An Vũ, Nhân Dục thuộc xã Hiến Nam về huyện Kim Động.

Ngày 26 tháng 1 năm 1968, hai tỉnh Hưng Yên và Hải Dương hợp nhất thành tỉnh Hải Hưng, tỉnh lỵ đặt tại thị xã Hải Dương (nay là thành phố Hải Dương). Thị xã Hưng Yên tạm thời mất đi vị thế trung tâm của tỉnh. Cùng với hoàn cảnh kinh tế khó khăn của Việt Nam trong thời gian đó và điều kiện giao thông không thuận lợi, thị xã Hưng Yên mất đi khá nhiều cơ hội để phát triển.

Sau năm 1975, thị xã Hưng Yên có 2 phường: Lê Lợi, Minh Khai và xã Hồng Châu.

Ngày 4 tháng 1 năm 1982, các xã Lam Sơn, Hiến Nam của huyện Kim Thi (nay là 2 huyện Kim Động và Ân Thi) cùng thôn Phương Độ của xã Hồng Nam, các thôn Nam Tiến, Mậu Dương (trừ xóm Châu Dương) của xã Quảng Châu thuộc huyện Phù Tiên (nay là 2 huyện Phù Cừ và Tiên Lữ) được sáp nhập vào thị xã Hưng Yên[4].

Ngày 6 tháng 11 năm 1996, tỉnh Hưng Yên được tái lập từ tỉnh Hải Hưng cũ, thị xã Hưng Yên trở lại là tỉnh lỵ tỉnh Hưng Yên[5].

Ngày 24 tháng 2 năm 1997, thành lập phường Quang Trung từ một phần phường Minh Khai và chuyển các xã Hồng Châu, Lam Sơn, Hiến Nam thành các phường có tên tương ứng[6].

Ngày 23 tháng 9 năm 2003, các xã Trung Nghĩa, Liên Phương, Hồng Nam, Quảng Châu thuộc huyện Tiên Lữ và xã Bảo Khê thuộc huyện Kim Động được sáp nhập vào thị xã Hưng Yên; cũng từ đó thành lập phường An Tảo từ một phần phường Hiến Nam[7].

Ngày 17 tháng 7 năm 2007, thị xã Hưng Yên được Bộ Xây dựng công nhận là đô thị loại III theo quyết định 1012/QĐ-BXD.

Ngày 19 tháng 1 năm 2009, Thủ tướng Chính phủ Nguyễn Tấn Dũng đã ra Nghị định 04/NĐ - CP nâng cấp thị xã Hưng Yên thành thành phố Hưng Yên, mở ra một thời kỳ phát triển mới cho thành phố Hưng Yên. Đồng thời thành phố Hưng Yên cũng được phong tặng danh hiệu "Anh hùng Lực lượng vũ trang nhân dân".[8]

Ngày 6 tháng 8 năm 2013, thành phố Hưng Yên được mở rộng thêm trên cơ sở sáp nhập 2 xã: Hùng Cường, Phú Cường thuộc huyện Kim Động và 3 xã: Hoàng Hanh, Phương Chiểu, Tân Hưng thuộc huyện Tiên Lữ[9].