Le prime tracce dell'agglomerato che diventerà Pontedera risalgono al periodo neolitico. Le tracce più marcate di un insediamento umano stabile nell'area dell'Attuale Pontedera coincidono con l'epoca etrusca ma è soprattutto in epoca romana che Pontedera diventa un crocevia di strade terrestri e fluviali come, ad esempio, la via che da Pisa va a Firenze e dalle Maremme porta in Valdinievole oppure l'incrocio tra l'Arno e l'Era. Pontedera è, quind,un punto di incontro e di scambi commerciali. Ruolo sottolineato dalla costruzione in pieno Medioevo del castello con le mura di mattoni e pietra e dalla fortificazione del ponte sull'Era che, molto probabilemente, esisteva da alcuni secoli,forse anche in epoca romana. E'così che il borgo assunse una certa importanza soprattutto per motivi militari. Tra il XIII e il XV secolo Pontedera entra di forza, suo malgrado, nelle lotte che oppongono Pisa, Lucca e Firenze e viene conquistata ora da questa ora da quella città subendo saccheggi e danni alle abitazioni e alle fortificazioni. Da queste lotte Pontedera uscì più volte spopolata, tanto che alla metà del XV secolo ne fu ordinata la ripopolazione. È tuttavia in questo periodo di guerre e di pace frequenti che la città dette i natali allo scultore e architetto Andrea da Pontedera, lavorò per importanti committenti, soprattutto religiosi, di Firenze, di Pisa, di Orvieto e di altre località minori. Dal punto di vista ambientale la città fu, fin dall'antichità, sottoposta agli allagamenti causati dell'Era e dall'Arno che frequentemente rompevano gli argini e invadevano tutta la piana. Memorabile rimane l'alluvione del 1333. Guerre, incendi e alluvioni continuarono a segnare la storia della città insieme allo sviluppo dei commercio anche nei secoli XVI e XVII che si inaugurano con la distruzione delle mura della città avvenuta nel 1554 ad opera del Marchese di Marignano, il quale volle punire la città per aver dato ospitalità alle bande di Piero Strozzi.
Tra il '600 ed il '700 Pontedera entrò a far parte del Granducato di Toscana e con la concessione del mercato settimanale e la ripresa dei traffici commerciali, il territorio avviò una timida fase di sviluppo proto-industriale. Nella seconda metà del '700 a Pontedera prese il via in particolare la produzione dei tessuti di lana con grande diffusione del lavoro a domicilio gestito da piccoli mercanti imprenditori. Nell'Ottocento la lavorazione dei panni di lana fu sostituita dai tessuti di cotone ed è attorno alla produzione delle pezzi di stoffa che tra gli anni '80 del secolo XIX e il primo quindicennio del '900 sorse l'industria tessile pontederese che portò il tessuto urbano ad espandersi lungo la strada Pisana.
A partire dagli anni '20 del '900 Pontedera vide crescere a fianco dell'industria tessile anche quella meccanica, grazie all'insediamento avvenuto nel 1924 della Società Piaggio di Genova. Durante il ventennio fascista la Piaggio costruì numerosi capannoni ed un intero quartiere destinato ad ospitare operai e impiegati specializzati che erano venuti a Pontedera da tutta l'Italia. Si allargò così in maniera considerevole sia l'area industrializzata di Pontedera, collocata a sud della Ferrovia, sia l'area residenziale. Grazie a questo favorevole trend economico nel 1930 ottenne il titolo di "Città". La seconda guerra mondiale, i bombardamenti e il passaggio del fronte produssero danni ingentissimi sia al patrimonio industriale che a quello edilizio e provocarono numerosissimi morti.
Ma nel giro di pochi anni Pontedera seppe risollevarsi. La Piaggio riconvertì la propria produzione progettando e producendo lo scooter Vespa, le imprese edili ricostruirono il ponte distrutto e gran parte degli edifici pubblici e privati che erano stati abbattuti, i commercianti riaprirono le loro attività e le svilupparono in maniera rapidissima. Solo l'industria tessile non rinacque e al posto di molti capannoni delle imprese tessili sorsero abitazioni, scuole, cinema. Nel secondo dopoguerra Pontedera assunse inoltre le caratteristiche di città di servizi socio-sanitari e scolastici e divenne il punto di riferimento di un'area ben più ampia del proprio territorio comunale. Un duro colpo fu inferto alla città dall'alluvione del 1966. Ma anche da questa calamità i Pontederesi seppero risollevarsi rapidamente, traendone quasi occasione di nuovo sviluppo e nuovo slancio produttivo.