萧山跨湖桥遗址的发掘证实了早在8000年前就有人类在此繁衍生息，距今5000年前的余杭良渚文化被誉为“文明的曙光”。
杭州在周朝以前，属“扬州之域”。传说在夏禹治水时，全国分为九州，长江以南的广阔地域均泛称扬州。公元前21世纪，夏禹南巡，大会诸侯于会稽（今绍兴），曾乘舟航行经过这里，并舍其余杭（“杭”是方舟）于此，故名“余杭”。一说，禹至此造舟以渡，越人称此地为“禹杭”，其后，口语相传，讹“禹”为“余”，乃名“余杭”。春秋时，吴越两国争霸，杭州先属越，后属吴，越灭吴后，复属越。战国时，楚灭越国，杭州又归入楚。
秦统一六国后，在灵隐山麓设县治，称钱唐，属会稽郡。《史记·秦始皇本纪》中记载：“三十七年十月癸丑，始皇出游……过丹阳，至钱唐，临浙江，水波恶……”这是史籍最早记载“钱唐”之名。当时还是随江潮出没的海滩，西湖尚未形成。
西汉承秦制，杭州仍称钱唐。新莽时一度改钱唐为泉亭县；到了东汉，复置钱唐县，属吴郡。这时杭州农田水利兴修初具规模，并从宝石山至万松岭修筑了第一条海塘，西湖开始与海隔断，成为内湖。
三国、两晋、南北朝时期，杭州属吴国的吴兴郡，归古扬州。东晋咸和元年（326年），印度佛教徒慧理在飞来峰下建了灵隐寺，是西湖最古的丛林建筑。梁武帝太清三年（549年），升钱唐县为临江郡。陈后主祯明元年（587年），又置钱唐郡，辖钱唐、于潜、富阳、新城四县，属吴州。
隋王朝建立后，于开皇九年（589年）废郡为州，“杭州”之名第一次出现。下辖钱唐、余杭、富阳、盐官、于潜、武康六县。州治初在余杭，次年迁钱唐。开皇十一年，在凤凰山依山筑城，“周三十六里九十步”，这是最早的杭州城。大业三年（607年），改置为余杭郡。六年，杨素凿通江南运河，从江苏镇江起，经苏州、嘉兴等地而达杭州，全长400多公里，自此，拱宸桥成为大运河的起讫点。这一重要的地理位置，促进了杭州经济文化的迅速发展。这时的余杭郡有户15380，杭州户口统计由此开始。
唐代，置杭州郡，旋改余杭郡，治所在钱唐。因避国号讳，于武德四年（621年）改“钱唐”为“钱塘”。太宗时属江南道，天宝元年（742年）复名余杭郡，属江南东道。乾元元年（758年）又改为杭州，归浙江西道节度，州治一度在钱塘，辖钱塘、盐官、富阳、新城、余杭、临安、于潜、唐山八县。五代十国时期，吴越国偏安东南，建西府于杭州。当时的西府杭州，治在钱塘，辖钱塘、钱江、余杭、安国、于潜、唐山、富阳、新城八县。在吴越三代、五帝共85年的统治下，经过劳动人民的辛勤开拓建设，杭州发展成为全国经济繁荣和文化荟萃之地。欧阳修在《有美堂记》里有这样的描述：“钱塘自五代时，不烦干戈，其人民幸福富庶安乐。十余万家，环以湖山，左右映带，而闽海商贾，风帆浪泊，出入于烟涛杳霭之间，可谓盛矣！”吴越王钱镠在杭州凤凰山筑了“子城”，内建宫殿，作为国治，又在外围筑了“罗城”，周围70里，作为防御。据《吴越备史》记载，这个都城，西起秦望山，沿钱塘江至江干，濒钱塘湖（西湖）到宝石山，东北面到艮山门。以形似腰鼓，故又有“腰鼓城”之称。
吴越王重视兴修水利，引西湖水输入城内运河；在钱塘江沿岸，采用“石囤木桩法”修筑百余里的护岸海塘；还在钱塘江沿岸兴建龙山、浙江二闸，阻止咸水倒灌，减轻潮患，扩大平陆。动用民工凿平江中的石滩，使航道畅通，促进了与沿海各地的水上交通。
在北宋时，杭州实际管辖两浙西路；大观元年（1107年）升为帅府，辖钱塘、仁和、余杭、临安、于潜、昌化、富阳、新登、盐官九县。当时人口已达20余万户，为江南人口最多的州郡之一。经济繁荣，纺织、印刷、酿酒、造纸业都较发达，对外贸易进一步开展，是全国四大商港之一。杭州历任地方官，十分重视对西湖的整治。元祐四年（1089年），著名诗人苏东坡任杭州知州，再度疏浚西湖，用所挖取的葑泥，堆成横跨南北的长堤（苏堤），上有六桥，堤边植桃、柳、芙蓉，使西湖更加美化。又开通茅山、盐桥两河，再疏六井，使卤不入市，民饮称便。
经过北宋150多年的发展，到了南宋时，开始了杭州的鼎盛时期。南宋建炎三年（1129年）升为临安府，治所在钱塘。辖钱塘、仁和、临安、余杭、于潜、昌化、富阳、新城、盐宫九县，地域与唐代大致相当。绍兴八年（1138年）定行在于此，杭州城垣因