La città sorse in prossimità della confluenza delle foci dei fiumi Arno e Auser, in una zona all'epoca lagunare. Le origini di Pisa sono state nel tempo attribuite ai Pelasgi,, ai Greci (Teuti o della Focide), agli Etruschi e ai Liguri e sono rimaste incerte fino agli anni ottanta e novanta del XX secolo, quando un'impressionante serie di ritrovamenti archeologici (tra cui nel 1994 la scoperta di una necropoli etrusca databile al VII-VI secolo a.C.) ha permesso di affermare senza dubbi che Pisa nacque e visse come città etrusca; gli scavi condotti a partire dal 2005 nel quartiere di Porta a Lucca hanno infine potuto accertare la presenza di un insediamento già in epoca villanoviana. Secondo la leggenda sarebbe stato Pelope, tornando dalla guerra di Troia, a fondare la città. Il dibattito sulle origini della città risale almeno allo storico romano Catone ma, in base ai ritrovamenti archeologici, si può sostenere con certezza l'esistenza di una città marittima e dedita a traffici con i Greci, i Fenici e i Galli almeno dalla metà del VI secolo a.C. Anche gli altri autori latini attribuiscono a Pisa una non giovane età.
I Bagni di Nerone, una delle poche evidenze della Pisae romana.
Tra questi in particolare Virgilio, Plinio, Strabone e Servio. Servio sostiene che i fondatori della città furono i Teuti mentre secondo Plinio la città sarebbe stata fondata dai Teuti oppure da Pelope, re dei Pisei, tredici secoli prima di Cristo. Strabone ne attribuisce invece le origini a Nestore, re di Pilo, successivamente alla caduta di Troia, mentre in quello stesso periodo, stando all'Eneide, Pisa appare già una città grande e potente. Tra tutte è al momento più accreditata la tesi che Pisa sia stata etrusca fin dagli inizi. In quanto tale era quindi posta in posizione di baluardo contro l'area influenzata dai Liguri e in posizione favorevole allo sviluppo dei commerci provenienti da Populonia, Volterra, Bologna e dalla Sardegna.
Il ruolo marittimo della città era già spiccato all'epoca se è vero che gli autori antichi attribuivano ad un pisano l'invenzione del rostro. È falsa ad ogni modo l'affermazione, spesso sostenuta, che Pisa fosse una città costiera. Anche in antichità infatti la città distava circa quattro chilometri dalla linea di costa. Studi recenti sostengono che l'espansione della città abbia comportato la necessità di utilizzare, oltre al porto fluviale, nuovi porti marittimi tra i quali uno a S.Piero a Grado, uno nella zona di S.Rossore e uno nei pressi dell'attuale Livorno chiamato Porto Pisano o Triturrita, dove giungeva il ramo meridionale del delta dell'Arno. I primi due furono in seguito abbandonati per l'interramento della laguna e gli scali furono trasferiti lungo il corso dell'Arno.
Col passare del tempo entrò nell'orbita politica di Roma e fu base di numerose imprese navali romane contro Liguri, Galli e Cartaginesi. Nel 180 a.C. divenne colonia romana. e sotto il consolato di Giulio Cesare ottenne lo status di colonia Julia Obsequens e una maggiore autonomia.
