La città venne creata sicuramente da un insediamento etrusco. La zona civitavecchiese non diventa realmente città, né è presente in documenti romani, fin dopo il ritorno di Traiano nel 103 d.C.
Preistoria Il territorio di Civitavecchia fu certamente abitato fin da epoche antichissime. Presso il torrente Fiumaretta sono stati ritrovati punte di frecce e raschiatoi in silice di età neolitica. Nelle località di Mattonara, Malpasso e Torre Chiaruccia, l'erosione della costa ha riportato alla luce numerosi scarichi di capanne dell'età del bronzo e dell'età del ferro. Si tratta di popolazioni che certamente traevano dal mare i propri mezzi di sussistenza.
I pagi di epoca etrusca Plinio il Vecchio nella Naturalis Historia, nel libro III dedicato alla geografia del Mediterraneo occidentale, nell'elencare i popoli dell'antica Etruria nomina gli Aquenses Taurini e i Castronovani. L'ubicazione dei due insediamenti è stata accertata il primo presso il colle Ficoncella, nei pressi dei resti delle Terme di Traiano, il secondo presso il torrente Marangone. Tutto il territorio di Civitavecchia è disseminato da resti di tombe etrusche e si può supporre che anche in epoca preromana, in corrispondenza dell'attuale centro della città, prosperasse un piccolo insediamento etrusco.
La necropoli etrusca della Mattonara, non lontana dallo stabilimento della Molinari, fu scoperta nel 2002 ed è quasi sicuramente riferibile al VII - VI secolo a.C.: molto probabilmente era collegata con la vicina necropoli di Cava della Scaglia che accoglie sepolture almeno dall'VIII al V secolo a. C. Storici e archeologi concordano sull'esistenza di un antichissimo porto cellulare, formato cioè da piccoli bacini paralleli capaci di dare alloggio a una singola imbarcazione. I resti di tali approdi erano ancora visibili alla fine del XIX secolo nei pressi del Forte Michelangelo.
Periodo romano La prima volta che compare il nome Centumcellae è in una lettera in cui Plinio il Giovane informa Corneliano di essere stato convocato dall'imperatore per il "Consilium Principis" presso la sua villa, situata nel luogo chiamato Centum Cellae, nel 107. «Villa pulcherrima cingitur viridissimis agris», così scriveva lo storico all'amico quando, ospite dell'imperatore Traiano, poté ammirare i grandi lavori, destinati a far sorgere il porto che avrebbe conservato per sempre, egli diceva, il nome del suo fondatore. L'imperatore aveva voluto stabilire in tale località la propria residenza proprio al fine di accelerare i lavori di costruzione del porto.
Centumcellae è poi menzionata nell'Itinerarium Maritimum, tra i porti e gli approdi del tragitto marittimo che da Roma conduceva in Provenza.
Il significato di Centum Cellae per anni è stato luogo di discussioni, alcuni ritengono che esso si riferisca alle insenature della costa, ma è stato ritenuto più probabile che centum, il quale in latino è un aggettivo che indica un numero ancora da definire, si riferisca alle stanze della Villa di Traiano, la quale è ancora da collocare. Dunque si può dedurre che la data natale di Civitavecchia sia attorno al 107, durante il quale dovrebbero essere iniziati i lavori per la costruzione del porto, e che nel 110 siano terminati i lavori. Durante l'edificazione della città essa prese lo stile romano e venne edificato il cardo massimo, ovvero l'attuale Corso Marconi.
Sul finire dell'impero, quando tanti luoghi abitati, già fiorenti, declinavano rapidamente, Civitavecchia conservava ancora la sua importanza. Ne dà notizia il poeta Rutilio Namaziano che all'inizio del V secolo, tornando via mare in Gallia, si fermò presso Centocelle e descrisse sia la vitalità del porto sia le Terme di Traiano che, seppur lontane tre miglia, erano di facile accesso al viaggiatore.
Alto medioevo L'Impero bizantino assunse il controllo di Civitavecchia tra il 537 e il 538, strappandola ai Goti. Lo storico bizantino Procopio di Cesarea, nel narrare le vicende della guerra contro i Goti, sottolinea l'importanza strategica dell'occupazione di Civitavecchia da parte delle forze bizantine, in considerazione delle dimensioni e dell'elevato numero degli abitanti della città, dotata di un porto ancora in piena efficienza. Durante la dominazione dell'impero romano d'oriente la città dipendeva dal Duca con sede in Roma, ma il vero e proprio comando dipendeva dal Conte a capo della guarnigione militare di stanza in città. Di uno di essi, un certo Teofanio, vissuto verso la fine del secolo VI, si ha una menzione nei Dialoghi di papa Gregorio Magno, in ragione delle sue virtù di mitezza nel governo. Bisanzio mantenne il controllo di Civitavecchia fino all'ottavo secolo. La città passò sotto il dominio dello Stato Pontificio nel 728. Papa Gregorio III nel 740 fece restaurare le mura che consentirono alla città di resistere al tentativo di occupazione delle milizie longobarde guidate dal duca Grimoaldo nel 749. Le mura gregoriane non bastarono qualche decennio più tardi contro gli assalti dei saraceni.
L'incombente pericolo delle incursione saracene sembra verificarsi già nell'anno 776, quando si ha notizia di navi piratesche condotte a Centumcellae e date alle fiamme. Si ha notizia di una prima devastante incursione e del saccheggio di Centumcellae tra la fine dell'813 e gli inizi dell'814 (da Eginardo, lo storico di corte di Carlo Magno nella sua opera Vita Karoli), cui seguirono ripetute incursioni, fino alla distruzione della città nell'828. Gli abitanti dovettero trovare rifugio tra le selve boscose circostanti, ma già nell'854 il pontefice Leone IV, per dare loro stabile e sicura dimora, consacrò non lontano, tra le colline dei Monti della Tolfa, sulla sinistra del fiume Mignone, sui ruderi di un preesistente pagus etrusco, una nuova città, che secondo il biografo di questo pontefice avrebbe dovuto chiamarsi Leopoli, ma che nella realtà, come attestano i documenti, perpetuò il nome di Centumcellae, anche perché ivi si era trasferito il vescovo della primigenia città romana portando con sé il titolo dell'antica omonima diocesi. Questa nuova città munita di dieci torri e tre porte prosperò per lungo tempo come libero Comune, mutando gradualmente il nome in Centocelle e poi Cencelle.
Una narrazione esaltata da Vincenzo Annovazzi, alimentata da errate interpretazioni storiche, narra che dopo 60 anni dall'invasione saracena dell'828, la popolazione della nuova città di Leopoli fosse assai incerta se tornare tra i ruderi della vecchia Centumcellae o rimanere nel nuovo abitato, lontano dal mare ma certamente più protetto da altre eventuali invasioni. La popolazione totalmente rinnovata e i giovani affezionati al luogo nativo si sarebbero riuniti in aperta campagna all'ombra di una grande quercia, per decidere se tornare ai luoghi antichi vicini al mare. Quando i contrari al ritorno stavano per ottenere la maggioranza sarebbe intervenuto un vecchio marinaio, di nome Leandro, uno dei superstiti dell'antica città. Il suo eloquio sarebbe stato così convincente che riuscì a cambiare l'esito della votazione convincendo l'assemblea a votare, all'unanimità, per il ritorno alla vecchia città, che sarebbe stata ribattezzata appunto Civitas Vetula. Sarebbe questo, secondo la leggenda, all'origine del simbolo della città, la quercia con le lettere O.C., per l'ottimo consiglio fornito dal vecchio marinaio, al quale sarebbe stata intitolata la piazza principale della nuova città marinara, ancora oggi denominata piazza Leandra. In realtà il nome si fa risalire all'Oleandro (Leandro) secondo una consuetudine medievale di attribuire il nome di piante a vie e piazze: nei pressi di questa Piazza infatti vi sono vicolo dell'Olmo, via Colle dell'Olivo, via di Laura (Alloro=Lauro).
La figura di Leandro, nata dalla fantasia romantica di Padre Alberto Guglielmotti, e che ha radicato una forte leggenda accettata storicamente da Carlo Calisse e creduta acriticamente fino ai giorni nostri, è però contraddetta dalle ricerche storiche condotte da Odoardo Toti a partire dal 1958 e confermate dalle indagini archeologiche condotte sul sito della città leoniana dalla Professoressa Letizia Pani Ermini dell'Università di Roma La Sapienza a partire dal 1998. La Centumcellae (Leopoli-Cencelle) fondata da Leone IV si estinse definitivamente solo nella seconda metà del XV secolo, in concomitanza con la scoperta dell'allume tra i monti della Tolfa e il conseguente sviluppo commerciale della romana Centumcellae, che attorno all'anno 1072 compare per la prima volta come una Rocca sulle rovine del porto, con il nome di Civita Vetula o Civita Veccla, donde il nome definitivo di Civitavecchia. Le lettere OC che campeggiano nell'insegna araldica di Civitavecchia, si ritiene che non siano le iniziali del motto "Ottimo Consiglio" riferibile alla favola del mitico Leandro che avrebbe "consigliato" gli abitanti a fare ritorno alla città marinara, bensì le iniziali del motto ORDO CENTUMCELLENSIS in ricordo e a onore delle origini romane di Civitavecchia.
Basso medioevo
Sui primi secoli della città rinata le notizie sono assai scarse. Nell'XI secolo ebbero signoria su Civita Vetula il Conte Ranieri di Civitacastellana e il Monastero di Farfa. Il Pontefice Innocenzo II concesse Civita Vetula in feudo a Pietro Latro appartenente alla famiglia romana dei Corsi. I feudatari che ebbero più a lungo il possesso della città furono i Prefetti di Vico, ai quali fu inizialmente concessa la sovranità da Federico Barbarossa, poi confermata anche dal papa Urbano IV. A contendere la sovranità sul feudo ai Prefetti di Vico fu la nobile famiglia dei Romani, che esercitò il potere sulla Rocca prima di restituirlo a Giovanni di Vico nell'anno 1347 (Carlo Calisse, Storia di Civitavecchia). L'ultimo feudatario di Civitavecchia fu Giacomo Di Vico, il quale si unì ai Colonna contro il papa Eugenio IV. Nell'anno 1431 il pontefice inviò contro Giacomo l'esercito comandato dal cardinale Giovanni Maria Vitelleschi e composto dai migliori capitani di ventura dell'epoca: Fortebraccio, Ranuccio Farnese e Menicuccio dell'Aquila. Nonostante il numero soverchiante dei fedeli al Papa, la rocca di Civita Vecchia o Civita Vetula risultò inespugnabile e Giacomo Di Vico riuscì a trattare la resa, cedendo la città alle forze del papa per 4.000 fiorini d'oro.
Il Rinascimento Parallelamente alle lotte intestine della nobiltà romana per il controllo del feudo civitavecchiese, il popolo della città cominciava a sviluppare i propri statuti comunali di cui si ha la prima traduzione in volgare conosciuta risalente al 1451 a opera di Bartolomeo di Ser Giovanni da Toscanella, vicario di Civitavecchia. A capo della magistratura comunale era posto un Visconte che durava in carica quattro anni ed era coadiuvato da un Camerlengo che svolgeva le funzioni di tesoriere, nonché da due "assessori" chiamati consiglieri o ufficiali.
Con la vittoria di papa Eugenio IV su Giacomo Di Vico il potere dei papi su Civitavecchia si consolidò definitivamente, dando inizio a un periodo di rinascita della città nel quadro del contestuale Rinascimento italiano. Papa Nicola V provvide a restaurare le mura nel 1455, e il suo successore Sisto IV dotò la città di un efficiente acquedotto. Fu Papa Giulio II a dare il maggior impulso di sviluppo e rinascita di Civitavecchia: fu sotto il suo pontificato che iniziarono i lavori della fortezza, progettata dal Bramante, ma che prese il nome di Michelangelo nonostante quest'ultimo, su commissione di Papa Paolo III, si fosse limitato a realizzare la parte superiore del maschio esagonale, completando l'opera nel 1535.
Nel 1522 l'Ordine dei Cavalieri Ospitalieri con il loro Gran Maestro Filippo Villiers, a seguito della loro cacciata dall'isola di Rodi da parte dei turchi, si stabilì a Civitavecchia rimanendovi fino al 1530, anno in cui Carlo V concesse ai Cavalieri l'Isola di Malta, di cui assunsero in seguito il nome.