Vor der römischen Eroberung im ersten nachchristlichen Jahrhundert lag das Gebiet des heutigen Pforzheim im Gebiet der Kelten. Direkte Spuren der Kelten finden sich aus der Zeit 500 bis 300 vor Christus. Aus dieser frühkeltischen Zeit wird ein Bronzepferdefigürchen datiert, das bei Pforzheim gefunden wurde. Eine Statue der keltischen Heilgöttin Sirona wurde in einem Brunnen geborgen. Ein bei der großen Enzregulierung 1909 nahe der Altstadtkirche gefundenes Altarbruchstück wird der keltischen Schwarzwald-Göttin Abnoba zugeschrieben. Der Fund führte zur Benennung des Enzuferwegs in Abnobastraße. Die römische Epoche dauerte bis ins 3. Jahrhundert, in dieser Zeit wurde an der Enz für die Römerstraße Straßburg-Cannstatt eine Furt eingerichtet. Die daraus entstehende Siedlung wurde Portus genannt. Bei Neuenbürg/Waldrennach sind Schmelzöfen/Rennöfen der Kelten zur Eisengewinnung nachgewiesen (Bergwerk Neuenbürg). Zur Weiterverarbeitung und zum Transport der Eisenprodukte waren Straßen oder Wasserwege notwendig. Daher ist davon auszugehen, dass die Enzfurt schon zu keltischer Zeit bedeutend war.
Um 259/260 überwanden alemannische Bevölkerungsgruppen den Limes. Um 500 wurde Alemannien dem Frankenreich eingegliedert. Die Nordgrenze Alemanniens wurde dabei weit nach Süden verschoben; lag sie zuvor nahe am Main, verlief sie nun weit südlich von Pforzheim, in der Nähe von Calw. Eventuell im 11. Jahrhundert war Pforzheim Teil salischer Territorien und ging 1125 von den Saliern an die Staufer über.
Per Heirat kam Pforzheim 1195 an die Welfen und wenige Jahre später, 1220–1227, wiederum per Heirat, von den Welfen an die von Baden. Der Stadtwerdungsprozess begann möglicherweise bereits in staufischer Zeit und dauerte bis ins 14. Jahrhundert an. 1344 ging das Eigentum an der Pfarrkirche (schloss sowohl St. Martin als auch St. Michael mit ein) vom Kloster Hirsau an das Kloster Lichtenthal über. Zwischen 1462 und 1750 war Pforzheim lediglich als Lehen des Kurfürstentums Pfalz bei Baden. Eine Ordnung des badischen Markgrafen Christoph I. brachte der Stadt 1486 den Verlust der politischen Autonomie.
Jörg Ratgeb engagierte sich während des Bauern­auf­standes im Jahre 1525 im Herzogtum Württemberg für die Aufständischen. Das wurde ihm zum Verhängnis. Nach der Niederschlagung des Aufstandes am 18. Mai 1525 bei Böblingen durch den Truchsess von Waldburg-Zeil erfolgte seine Gefangennahme und Verurteilung in Pforzheim auf der Basis der Bamberger Halsgerichtsordnung. Das Urteil lautete „des Paurenkriegs und Hertzog Ulrichs halber“ auf erschwerte Vierteilung durch Pferde bei lebendigem Leibe[15] und wurde auf dem Marktplatz vor dem heutigen Rathaus vollstreckt.[16]
Nach der Teilung Badens gehörte Pforzheim von 1515/1535 bis 1771 (mit Unterbrechungen) zur Unteren Markgrafschaft Baden (Ernestinische Linie, später auch Markgrafschaft Baden-Durlach genannt). 1535 wurde Pforzheim zum Residenzort der Unteren Markgrafschaft gewählt, jedoch wurde die Residenz bereits 1565 nach Durlach verlegt. Pforzheim wurde 1538 auch zentrale Begräbnisstätte der ernestinischen Linie und blieb dies auch für das vereinigte Baden nach 1771.
Zwischen 1519 und 1556 wurde in Pforzheim bzw. Baden-Durlach die Reformation eingeführt. Durch den Verkauf von Liebenzell und anderer Gebiete an Württemberg 1594 und den darauffolgenden Jahren geriet Pforzheim an die Peripherie Baden-Durlachs. Im Dreißigjährigen Krieg (1618–1648) war die Stadt dem Zugriff Badens meist entzogen (1624–1635 Besetzung durch kaiserliche oder schwedische Truppen, 1635–1645 gehörte Pforzheim zu Bayern).
Im Jahre 1803 wurde Baden zum Kurfürstentum, 1806 zum Großherzogtum. Zwischen 1871 und 1933 war Baden Bundesstaat des Deutschen Reiches, seit 1918 als Freistaat. Unter dem NS-Regime des Deutschen Reiches erfolgte 1933 die Gleichschaltung Badens und Pforzheims (Abschaffung der Rechte der Teilstaaten, Ernennung des Pforzheimer Oberbürgermeisters durch die NSDAP, Umbildung des Stadtrats anhand des Reichstagswahlergebnisses 1933). Ab April 1945 gehörte die Stadt für wenige Monate zur französischen Besatzungszone, ab Juli 1945 bis 1949 zur US-amerikanischen Besatzungszone, in der das Land Württemberg-Baden eingerichtet wurde. 1952 ging Württemberg-Baden im Land Baden-Württemberg auf.