Город основали ещё фракийцы под названием Месембрия. В конце VI века до н. э. дорийские греки превращают его в оживлённый торговый центр. Большая часть античного города безвозвратно уничтожена разрушительным землетрясением — территория полуострова составляла около 40 гектаров, а теперь только 24. XII—VI вв. до н. э. датируются одни городские ворота и подводные остатки тогдашних укреплений города. Сохранились руины крепостных стен и башен из тёсанного известняка, археологические остатки агоры в центре, акрополя, перистиля и нескольких жилищ.

Город не был  затронут римской колонизацией и  существовал самостоятельно вплоть до его включения в состав Византии вместе со всем Балканским полуостровом. Наиболее значительным памятником византийской эпохи является базилика св. Софии, называемая Старой митрополией, построенная на месте агоры. В 680 г. Месамбрия была возведена до ранга епископского города.

В 811 году городом  завладел болгарский хан Крум Грозный, который и переименовал его в Несебыр.

Уже в составе  болгарского государства, в XIII и XIV веках, когда Болгария наиболее сильна в  политическом и экономическом отношении  и переживает свой культурный расцвет, Несебр является городом в котором  насчитывается свыше 40 церквей (постоенных в XII—XIV веках). Пик развития Несебыра был во время правления царя Ивана-Александра, когда город был одним из важнейших в болгарском государстве.В 1452 Несебр пал под напором турок и стены крепости были разрушены.

Во времена Османского ига (XV—XIX века) Несебр опустошался и разорялся, как и многие другие болгарские города. Многие уникальные памятники архитектуры были разрушены. Турки принесли свою культуру и свою религию. От этого времени сохранились старый фонтан и турецкие бани.