Các nhà khảo cổ đã tìm thấy ở xã Cổ Loa những viên đá cuội có dấu vết bàn tay con người ghè đẽo cùng loại với những hòn cuội tìm thấy từ Lào Cai đến Nghệ Tĩnh. Đó là những công cụ chặt, nạo của người nguyên thuỷ sống cuối thời đá cũ cách ngày nay từ 2 vạn năm đến hơn 1 vạn năm.
Nhưng rồi đến thời băng tan, biển tiến. Đợt biển tiến cuối cùng xảy ra cách đây 17 nghìn năm. Đất Hà nội nếu không nằm trong biển thì cũng là mấp mé biển. Con người lùi lên miền chân núi. Như thế, vùng Hà nội không có người ở, gần như trong suốt thời đại đá mới, khoảng 1 vạn năm đến sáu bảy nghìn năm cách ngày nay, bấy giờ biển lùi. Hà nội từ vùng biển thành vùng đầm lầy, rồi thành rừng. Các nhóm cư dân từ miền núi về đây, Hà nội lại sôi động cuộc sống con người. Các nhà khảo cổ đã tìm thấy nhiều di tích nối tiếp nhau, hình thành một chuỗi dây lịch sử liên tục từ đầu thời đại đồng đến đầu thời đại sắt trên chặng đường 20 thế kỷ trước công nguyên.
Người Hà nội ngày ấy trồng trọt, chăn nuôi và chài lưới, chủ yếu là trồng lúa, đậu, khoai, cây ăn quả ... chăn nuôi gia súc, đánh cá và săn bắn. Trong các di chỉ khảo cổ có lưỡi cày, liềm bằng đồng, có hạt na, hạt trám, có hạt gạo cháy và vỏ trấu, có rìu đá, rìu đồng, dao và mũi tên đồng có cả hòn chì lưới bằng đá và đất nung. Thời tiền sử đó ứng với thời đại các Vua Hùng theo truyền thuyết. Vua Hùng là truyền thuyết nhưng Thục Phán chống Tần là hiện thực lịch sử. Khoảng năm 218 trước Công Nguyên, Tần Thuỷ Hoàng phát 50 vạn quân tiến đánh miền Bách Việt. Người Việt đứng đầu là Thục Phán tổ chức kháng chiến. Sau hơn 10 năm bị thiệt hại nặng quân Tần rút. Thục Phán thay Vua Hùng dựng nước Âu Lạc, đóng đô ở Cổ Loa xây toà thành ốc. Hà nội với toà thành đó bắt đầu đi vào lịch sử với tư cách một trung tâm chính trị xã hội.
Lên ngôi từ 208 trước Công Nguyên, đến 179 trước Công Nguyên, Thục Phán bị Triệu Đà, tướng nhà Hán đánh thắng. Từ đó Âu Lạc sa vào ách thống trị của các triều đại phong kiến Trung Quốc (thời kỳ Bắc thuộc này kéo dài tới ngàn năm), thời Hán thuộc bị chia thành 3 quận: Giao Chỉ, Cửu Chân và Nhật Nam. Hà Nội thuộc quận Giao Chỉ nhưng suốt 5 thế kỷ đầu không thấy sử sách ghi tới. Mãi tới giữa thế kỷ V, Hà nội được ghi là trung tâm huyện Tống Bình (mới đặt khoảng 454 - 456). ít lâu sau huyện được nâng cấp thành quận. Quận Tống Bình gồm 3 huyện: Nghĩa Hoài, Tuy Ninh ở Nam sông Hồng (Từ Liêm, Hoài Đức ngày nay), còn Xương Quốc ở bờ Bắc (Đông Anh, Gia Lâm ngày nay). Quận trị là vùng nội thành ngày nay.
Năm 544, Lý Bí khởi nghĩa, dựng thành ở cửa sông Tô đánh đuổi quân đô hộ nhà Lương xưng đế, đặt quốc hiệu là Vạn Xuân đóng đô ở Long Biên (?). Cháu ông là Lý Phật tử đóng đô ở Cổ Loa, tồn tại đến năm 602 thì bị nhà Tuỳ đánh bại.
Nhà Đường (618 - 907) thay nhà Tuỳ đặt "đô hộ phủ". Đất Việt được gọi là "An Nam" với 12 châu. Trung tâm An Nam đô hộ phủ là Tống Bình. Với khoảng giữa đời Đường, Tống Bình có tên mới là Đại La.
Nhiều cuộc khởi nghĩa đã nổ ra, đôi ba phen đã giải phóng Đại La.
Tới năm 938, Ngô Quyền đã tiêu diệt quân Nam Hán, xưng vương, định đô tại Cổ Loa. Cổ Loa sau một ngàn năm lại trở thành Kinh đô của nước Việt.