A római korban a közeli Gorsium a Balaton és a Velencei-tó között kereskedelmi utak fontos csomópontja volt. A várost 972-ben alapította Géza nagyfejedelem, kicsiny kővárat épített, benne a fejedelmi palotával és egy négykaréjos bizánci stílusú templommal. Ez volt az ország egyik első keresztény temploma.

A város középkori latin neve Alba Regia („Királyi Fehér”) volt. Szent István emelte Fehérvárt igazi várossá és a királyság világi központjává. Ő építtette a királyi bazilikát is (1003–1038). Évente kétszer itt tartották a királyi törvénykezési napokat és az országgyűlést. 1526-ig 34 magyar királyt koronáztak, és 1540-ig 15 királyt temettek el Fehérváron. Fejlődését a III. István király által 1170 körül kiadott önkormányzati privilégium, amely Fehérvárt Magyarország első szabad önkormányzatú településévé tette. A török hódoltság kezdetéig (1543) Székesfehérvár volt a kizárólagos koronázóváros.

1222-ben II. András itt bocsátotta ki az Aranybullát (a hagyomány szerint a város határában lévő Csúcsos-hegyen). Ez az okmány volt 1848-ig a magyar alkotmány alapja. 1242 tavaszán a mongolok megpróbálták elfoglalni a mocsárral körülvett várost, de sikertelenül. Viszont 1490 novemberében rövid ostrom után elesett, a Habsburg Miksa főherceg vezette német-római birodalmi és osztrák csapatok teljesen kifosztották (a bazilikát is beleértve), és a város egészen 1491. július 29-én, II. Ulászló által való visszafoglalásáig Miksa kezén maradt.

1543-ban Fehérvár is török kézre került. A török hódoltság idején a budai vilajet fehérvári szandzsákjának székhelye volt. 1688-ig a város végig török kézen volt. A török kiűzése után a kereskedők és iparosok külföldről jöttek, az adminisztráció nyelve is német lett. A helyi magyar és szerb lakossághoz német és morva földről érkeztek új lakók. A 18–19. században épült ki a Belváros mai, jórészt barokk arculata, mégpedig a középkori és török kori építmények bontásával. Ekkor pusztult el végleg a Szent István által alapított királyi bazilika is.

A belváros – más dunántúli városokhoz hasonlóan – megőrizte középkori utcaszerkezetét, amely a 19. század első harmadában szűnt meg, amikor új utcák épültek, s kapcsolták a külvárosokat a történelmi városmaghoz. 1843-ban a város déli része tűzvész következtében teljesen elpusztult.

A város gazdaságának fejlődése csak a vasút kiépülésével vett új lendületet. Előbb 1860-ban a Székesfehérvár-Újszőny, majd 1861-ben a Buda-Kanizsa-vasútvonalon indult meg a forgalom. Az első világháború után a nagy múltú és lélekszámú magyar kulturális központok többsége a határon túlra került, így Fehérvár a korábbinál lényegesen előrébb jutott a városok rangsorában. Több szülötte, illetve patrónusa vezető pozíciókba jutva támogatta fejlesztését. (pld. Klebelsberg Kuno, Hóman Bálint)

A második világháborúban Székesfehérvár Budapest után a legtöbbet szenvedett város volt az országban. A hatvanas és hetvenes években a fallal körbevett műemlék belvárost ugyan megvédték, a külvárosokban viszont jelentősen átszabták a várost. 1980 és 2000 között Európa egyik leggyorsabban fejlődő városává vált, sorra épültek ipari parkjai. Székesfehérvár 1989. április 1-jén megyei városi rangot kapott.

Székesfehérvár a rendszerváltás után is a leggyorsabban fejlődő nagyváros lett, adó- (főleg iparűzési adó) bevételei a többi magyarországi nagyvárosénál (Budapest kivételével) átlagosan 2–2,5-szer nagyobbak.