Preistoria e primi insediamenti
Nell'età quaternaria la piana di Firenze-Prato-Pistoia era occupata da un grande lago che stagnava tra le linee dei rilevi del Monte Albano a ovest, del Monte Giovi a nord e delle prime colline del Chianti a sud. Con il ritirarsi delle acque la pianura, situata a una cinquantina di metri sul livello del mare, rimase costellata di tanti stagni ed acquitrini che, soprattutto nella zona di Campi Bisenzio, Signa e Bagno a Ripoli, furono una costante del territorio almeno fino alle bonifiche realizzate a partire dal Settecento. Una sezione del Museo di Geologia e Paleontologia illustra egregiamente questo periodo della preistoria toscana, con schede e reperti.
Si ritiene che alla confluenza del Mugnone con l'Arno vi fosse un insediamento villanoviano già tra il X e l'VIII secolo a.C. Tra il VII e il VI secolo a.C. gli etruschi dovevano aver scoperto e usato il facile guado del fiume Arno presso la suddetta confluenza, dove anche la pianura era più stretta per la vicinanza dei colli da nord e da sud. In quel punto avevano costruito probabilmente una passerella o un servizio di traghetto, che doveva trovarsi una decina di metri dall'attuale Ponte Vecchio, nel guado più stretto. Gli etruschi comunque preferivano non fondare città in pianura per ragioni di difesa (da eserciti stranieri e dalle inondazioni) e si stabilirono a circa sei chilometri dal guado su una collina, dove nacque il centro fortificato di Vipsul, l'odierna Fiesole, ben collegato con una strada che univa tutti i principali centri etruschi dall'Emilia al nord del Lazio.
I Romani
Alcuni storici ancora si dibattono circa l'esistenza di un insediamento protoromano, arrivando anche a sostenere la possibilità che fosse esistito un municipium che sarebbe stato distrutto da Silla.
Tuttavia, la storia conosciuta di Firenze comincia tradizionalmente nel 59 a.C., con la fondazione da parte dei Romani di un villaggio chiamato "Florentia", e destinato ai veterani dell'esercito. Secondo alcuni storici la città sarebbe stata fondata per precise ragioni politiche e strategiche: nel 62 a.C., Fiesole era stata un covo di catilinari e Cesare volle un avamposto a solo 6 km per controllare le vie di comunicazione. Nel 70 a.C. la struttura della città era già abbastanza definita nelle sue componenti strutturali classiche del castrum cioè due vie che s'intersecavano e dividevano in due parti distinte l'antico accampamento militare.
La città cesariana aveva il disegno classico previsto dagli agrimensori romani: quadrangolare e suddivisa al suo interno da sette strade sull'asse nord - sud intersecate ortogonalmente da cinque strade sull'asse est - ovest.
I Romani costruirono gli argini all'Arno ed al Mugnone e la scelta del sito si rivelò vantaggiosa per i trasporti: l'antica Florentia si trovò infatti sulla via consolare Cassia Nuova in un punto strategicamente molto importante perché formava un cuneo che controllava la fine della valle dell'Arno appenninica e l'inizio della pianura che conduceva al mare in direzione di Pisa. Nel 123 abbiamo le prime notizie precise sull'insediamento, quando fu creato il primo vero ponte sull'Arno.
Intorno all'accampamento militare romano cominciavano intanto ad essere costruiti tutti quegli edifici che caratterizzano le città romane: un acquedotto (dal Monte Morello), un foro (nell'odierna Piazza della Repubblica), terme (almeno due stabilimenti), un teatro e un anfiteatro, mentre il territorio circostante veniva razionalizzato con la centuriazione delle aree coltivate: nelle carte aeree di zone come quella attorno a Peretola, per esempio, si possono scorgere ancora tracce sicure di questa indelebile attività. Esisteva anche un porto fluviale, che consentiva commerci fino con Pisa. Prese corpo così una vera e propria città e, data la sua origine militare fu dedicata al dio Marte che fu il primo patrono di Florentia.I contorni della città romana sono ancora riconoscibili nelle piantine della Firenze attuale, dove s'individua a colpo d'occhio il nucleo quadrato del primo centro, con le strade perpendicolari tagliate dal cardo e il decumano (cioè le due vie principali) oggi individuabili in Via Strozzi, Via del Corso e Via degli Speziali, che tagliano il centro da ovest a est, e le vie Roma e Calimala che lo attraversano da nord a sud fino all'attraversamento dell'Arno. Il quadrangolo, cinto da mura fortificate con numerose torri, misurava circa 1800 metri per lato e ospitava al suo interno, secondo le stime, tra i 10.000 e 15.000 abitanti. Al centro dei quattro lati si aprivano altrettante porte che alcune delle quali furono in uso fino a tutto l'alto medioevo.
Nel 285 Diocleziano, durante il riordino dell'Impero, stabilì proprio a Firenze la sede del Corrector, cioè del comandante della legione, che era responsabile per tutta la Tuscia, a suggello della maturata importanza strategica dell'insediamento nel panorama regionale. I mercanti orientali (fra i quali una notevole colonia stabilitisi in Oltrarno appena passato il ponte) portarono il culto di Iside prima e in seguito, a partire dal II secolo quello del Cristianesimo.
Non sono rimasti monumenti visibili del periodo romano poiché Firenze ebbe un rapido sviluppo durante il periodo successivo e la Firenze medievale costruì e allargò quella romana e vi si sovrappose.
Ancora oggi però affiorano dal sottosuolo costruzioni come ad esempio il complesso termale scoperto in Piazza della Signoria proprio accanto al declivio che scende verso Piazza San Firenze dove è verosimile che fosse il teatro, oggi inglobato dal palazzo della famiglia Gondi.
Ma il monumento più riconoscibile è quello dell'anfiteatro che, sebbene invaso da case medievali dalle quali spuntano residui della primigenia costruzione in laterizio (compreso forse qualche arco di accesso), mantiene sempre la sua forma ellittica; non a caso la strada che lo circonda è stata battezzata Via Tòrta (cioè storta).Al Museo Archeologico e al Museo topografico di Firenze com'era si trovano le più importanti testimonianze di Florentia, con numerosi reperti e sezioni per la didattica.