上世纪九十年代福州市在施工中先后发现汉代文化堆积层，出土有汉代龙凤纹瓦当、万岁纹瓦当、布纹砖、筒瓦、板瓦堆积和建筑基址等；与此同时，在新店古城村发现汉代城址遗迹等，都为《史记》有关闽越国都冶城的记载提供新的实物佐证。自汉武帝平定闽越，迁民于江淮之间后，福州这一繁荣的地方王国曾一度凋零衰落。晋太康三年（282年），太守严高筑子城，凿西湖、东湖灌溉农田。东晋衣冠士族与百姓南渡，许多姓氏举族入闽，带来中原地区先进的生产技术和文化，促进福州经济、文化的复苏与发展。1982年，福州怀安窑址发掘，出土3000多件器物，发现有南朝款识的窑具。唐开元十三年（725年），升福州为都督府，府治设在州城内，福州之名始用至今。唐末，王审知主闽，建闽国，在子城外筑罗城和南北夹城，北面横跨越王山（即屏山），并将南面九仙山（即于山）、乌石山围入城中，开凿了绕护罗城南、东、西三面的大壕沟，奠定“三山鼎峙，一水环流”的独特城市格局，福州从而有“三山”别称。宋治平二年（1065年），张伯玉知福州，编户植榕，绿荫满城，使“榕城”福州声名远播。其后，蔡襄、程师孟、曾巩、赵汝愚、梁克家、辛弃疾等诸多名人相继主政福州，励精图治，促进经济文化发展，福州遂享有“海滨邹鲁”的美誉。宋末、明末福州两度成为临时国都。鸦片战争后，福州被辟为五口通商口岸之一；随着洋务运动兴起，福州船政成为中国近代海军摇篮，又是中国近代文教和科技人才的摇篮之一。
据考古发掘，福州的新石器文化可追溯到公元前5000年的平潭壳丘头文化与前3000年的闽侯昙石山文化。春秋战国时期，中国史籍开始出现“百越”、“闽越”的称谓。《汉书·地理志》记载：“自交趾至会稽七八千里，百越杂处，各有种姓”。这一时期，福州的居民乃是古闽人，或是闽越人。秦昭襄王元年（前306年）越国灭亡后，南逃的部分越国贵族与福州当地居民融合。秦始皇二十五年（前222年），秦朝设闽中郡（今福州隶属于它）。汉高帝五年（前202年）无诸被正式封为闽越国国王，今福州冶山一带的冶城建都，又称东冶，乃福州建城之始。元封元年（前110年），汉朝灭闽越、东越国，部分闽越人被强制迁徙到江淮一带，冶城衰落。直到始元二年（前85年）才在此设立冶县。三国时期福州为东吴的造船中心之一。晋太康年间晋安郡首位太守严高修筑了福州子城，开凿东湖、西湖以及运河（即晋安河），奠定后世福州城的雏形。永嘉二年（308年），即“五胡乱华”之际，晋安郡成为八姓入闽的中原汉人移民重要定居地。隋唐时期，福建的政治经济中心从闽北转移到福州一带。唐开元十三年（725年），原闽州改名福州，福州之名肇始。中唐以后，福州的经济和文化教育大幅进步。中晚唐中原动荡，北方汉人持续移民入闽。乾符六年（879年），福州城一度被黄巢军队攻占。景福元年（893年）王潮、王审知的光、寿州军占领福州，并以福州为据点统一福建，开创闽国，并带来中原移民潮，被称作“十八姓从王”。
开平三年（909年），王审知建立闽国、定都福州。保大三年（945年）闽国被南唐所灭，开运四年（947年）吴越击败军阀李弘义而控制福州，直至太平兴国三年（978年）北宋吞并吴越、占领福州为止。福州城在五代非常繁荣，城池的扩建将乌山、于山、屏山圈入城内，从此福州也得名“三山”。此时的佛教在福州的发展也很迅速，中国南方现存最早的木构建筑—华林寺大殿就建于这一时期。福州族群也在隋唐五代时期逐渐形成。宋代是福州历史上的黄金时代，人口、经济、文化都达到一个高峰。开宝七年（974年）和熙宁二年（1069年），刺史钱昱和程师孟先后扩建城池。庆历四年（1044年）蔡襄任福州知州期间大兴水利。治平二年（1065年），福州太守张伯玉在福州遍植榕树，“榕城”之名由此而来。福州的城市内河水网体系也在宋代形成。宋代福州人口众多，经济极其繁荣，为宋朝六大城市之一，南宋时人口超59万，其中城内人口超10万。宋代福州的农业高度发展，还是宋朝造船业的中心，其商品经济发达、海外贸易发展迅速。文化上，两宋时期福州一共出了文状元10名，武状元11名，进士2247名，福建是中国出状元最多的省份，福州占福建大部分，奠定福州科举文教在中国领先的地位。德祐二年（1276年），蒙古军队攻占临安后，南宋益王赵昰以福州为行都称帝，改年号景炎，十一月，蒙古军队攻占福州，赵昰从海路南逃。元代福州大部分时间作为福建首府，元至正十九年（1359年）到至正二十二年（1362年），发生亦思法杭兵乱，亦思巴奚军一度占领福州。朱元璋洪武元年（1368年）明朝军队占领福州。
嘉靖年间福州府倭患甚重，戚继光曾两度入闽平定倭寇。自明朝晚期起，欧洲的葡萄牙、西班牙、荷兰、意大利等国同福州的接触渐趋频繁，天启四年（1624年）底，艾儒略将天主教传入福州。隆武元年（1645年），明唐王朱聿键在福州建都称帝，改元隆武，隆武二年（1646年），清军击溃隆武政权后攻占福州。清初，清军与郑成功一度在福州地界进行拉锯战，康熙十三年（1674年）至康熙十五年（1676年），耿精忠又据福州反清。动荡的局势导致清政府施行海禁、迁界政策，强迫福州沿海居民内迁，重创福州沿海的社会经济，直到康熙二十三年（1684年）迁界政策取消。明清两代较为稳定的社会环境使福州城大规模发展。清代中前期，福州中国重要的海洋贸易中心，其主要贸易对象是琉球和日本，多有福州府人移民琉球和日本。经济的繁荣也使人口猛增，到了19世纪道光年间，有欧洲人估计福州城市人口可能已经达到50万。鸦片战争之后，道光二十四年（1844年）福州作为五口之一正式开埠。自道光二十五年（1845年）南台岛的英国领事馆建立起，先后有17个国家在福州设领事馆。道光二十七年（1847年），基督教新教开始在福州传播，并在此后创立了许多教会学校和福州最早的报纸和期刊。洋务运动兴起后，同治五年（1866年），清政府在马尾设立福建船政局（后改福州船政局）以建造现代舰船，并开设福建船政学堂培养相关人才。