Η Σόφια έχει ιστορία σχεδόν 7.000 ετών και είναι η δεύτερη αρχαιότερη πόλη της Ευρώπης, σύμφωνα με τον επίσημο ιστότοπο της πόλης και άλλες πηγές, αν και η έννοια του ισχυρισμού είναι ασαφής, γιατί εκείνη την εποχή δεν υπήρχαν στον κόσμο σχεδόν καθόλου πόλεις. Στο πλαίσιο αυτό αναφέρεται το νεολιθικό χωριό στη Σλάτινα, που χρονολογείται από την 5η-6η χιλιετηρίδα π.Χ. Στην 3η-4η χιλιετηρίδα π.Χ. ανάγονται υπολείμματα άλλου νεολιθικού οικισμού γύρω από την Εθνική Πινακοθήκη, που είναι από τότε το παραδοσιακό κέντρο της πόλης και δεν έχει αλλάξει μέχρι σήμερα. Η Σόφια ήταν αρχικά θρακικός οικισμός, με το όνομα Σερδική ή Σαρδική σε όλη την Εποχή του Χαλκού και την Αρχαιότητα. Τον 8ο αιώνα π.Χ. η φυλή των Σερδών ίδρυσε έναν οικισμό, που οδήγησε στην πρώτη επίσημη αναφορά της πόλης τον 7ο αιώνα π.Χ. Τα ευρήματα οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η περιοχή του οικισμού ήταν μεταξύ του (πολυκαταστήματος) TZUM, του Ξενοδοχείου Σέρατον και της Προεδρίας. Λίγο πριν το 500 π.Χ. η περιοχή αποτέλεσε τμήμα θρακικής ένωσης φυλών με το όνομα Βασίλειο των Οδρυσών, όταν εμφανίστηκαν οι Οδρύσαι. Πιθανόν για μια σύντομη περίοδο η θρακική κυριαρχία διακόπηκε από την Αυτοκρατορία των Αχαιμενιδών. Το 339 π.Χ. ο Φίλιππο Β΄ της Μακεδονίας κατέστρεψε και λεηλάτησε την πόλη.

Περί το 29 π.Χ. η Σαρδική καταλήφθηκε από τους Ρωμαίους και σταδιακά έγινε η σημαντικότερη Ρωμαϊκή πόλη στην περιοχή. Έγινε municipium, ή κέντρο διοικητικής περιοχής, επί της βασιλείας του Αυτοκράτορα Τραϊανού (98 - 117) και μετονομάστηκε σε Ουλπία Σερδική. Φαίνεται ότι η πρώτη γραπτή αναφορά στη Σαρδική έγινε από τον Πτολεμαίο (περίπου 100 μ.Χ.). Η Σαρδική επεκτάθηκε καθώς ανεγέρθηκαν πυργίσκοι, προστατευτικά τείχη, δημόσια λουτρά, διοικητικά και πολιτιστικά κτίρια, αστική βασιλική, αμφιθέατρο, ιππόδρομος, βουλή, μεγάλη αγορά, μεγάλο θέατρο, κλπ. Η κυριότερη ενδιάμεση πόλη στον ρωμαϊκό δρόμο Βία Μιλιτάρις, που συνέδεε τη Ρώμη με το Βυζάντιο ήταν η Σερδική. Το 2ο αιώνα μ.Χ. ήταν διοικητικό κέντρο της ρωμαϊκής Μοισίας. Τον 3ο αιώνα ήταν πρωτεύουσα της Αυρηλιανής Δακίας και όταν ο Αυτοκράτορας Διοκλητιανός διαίρεσε την επαρχία αυτή στη Δακία Ριπένσις (στις όχθες του Δούναβη) και στη Δακία Μεσογειακή, η Σαρδική έγινε πρωτεύουσα της δεύτερης. Οι θρακικής καταγωγής κάτοικοι της Σαρδικής αναφέρονταν ως Ιλλυριοί, πιθανόν επειδή κάποτε ήταν πρωτεύουσα της Ανατολικής Ιλλυρίας. Για επόμενους αυτοκράτορες η Σαρδική ήταν η κατοικία τους, από όπου κυβερνούσαν τη Ρώμη.

Οι Ρωμαίοι αυτοκράτορες Αυρηλιανός (215-275) και Γαλέριος(260-311) ήταν από τη Σερδική. Η πόλη στη συνέχεια επεκτάθηκε επί ενάμιση αιώνα, έγινε σημαντικό πολιτικό και οικονομικό κέντρο - έγινε μία από τις πρώτες ρωμαϊκές πόλεις, όπου ο Χριστιανισμός αναγνωρίσθηκε ως επίσημη θρησκεία (υπό τον Γαλέριο). Το Διάταγμα Ανεξιθρησκείας εκδόθηκε στη Σαρδική το 311 από το Ρωμαίο αυτοκράτορα Γαλέριο, τερματίζοντας επίσημα τους διωγμούς των Χριστιανών του Διοκλητιανού. Το διάταγμα παραχωρούσε έμμεσα στον Χριστιανισμό το καθεστώς της "religio licita" (νόμιμης θρησκείας), λατρείας αναγνωρισμένης και αποδεκτής από τη Ρωμαϊκή Αυτοκρατορία. Ήταν το πρώτο διάταγμα που νομιμοποιούσε τον Χριστιανισμό, προηγηθέν κατά δύο χρόνια του Διατάγματος των Μεδιολάνων. Για το Μέγα Κωνσταντίνο ήταν Sardica mea Roma est (η Σαρδική είναι η Ρώμη μου). Εξέτασε το ενδεχόμενο να κάνει τη Σαρδική πρωτεύουσα της Βυζαντινής Αυτοκρατορίας αντί της Κωνσταντινούπολης, που ήδη δεν διέφερε από μια τετραρχική πρωτεύουσα της Ρωμαϊκής Αυτοκρατορίας. Το 343 μ.Χ. συνήλθε στην πόλη η Σύνοδος της Σαρδικής σε μια εκκλησία, στη θέση όπου αργότερα χτίστηκε η σημερινή Εκκλησία της Αγίας Σοφίας του 6ου αιώνα.

Η πόλη καταστράφηκε κατά την επιδρομή των Ούννων το 447 και παρέμεινε κατεστραμμένη για ένα αιώνα. Ξαναχτίστηκε από τον βυζαντινό αυτοκράτορα Ιουστινιανό Α΄ και για ένα διάστημα ονομαζόταν, από τις σλαβονικές φυλές, Τριάδιτζα ή Σρέντετς. Επί της βασιλείας του Ιουστινιανού άκμασε, περιβαλλόμενη από μεγάλα οχυρωματικά τείχη, των οποίων τα κατάλοιπα είναι ακόμα ορατά σήμερα.

Η Σόφια αρχικά έγινε τμήμα της Πρώτης Βουλγαρικής Αυτοκρατορίας, επί της βασιλείας του Χαν Κρούμου το 809, μετά από μακρά πολιορκία. Στη συνέχεια ήταν γνωστή με το βουλγαρικό όνομα "Σρέντετς" και εξελίχθηκε σε σημαντικό φρούριο και διοικητικό κέντρο, όταν ο Χαν Ομουρτάγ την έκανε κέντρο της ομώνυμης επαρχίας. Μετά τη διοικητική μεταρρύθμιση του Χάνου Ομουρτάγ η Σόφια έγινε κέντρο της επαρχίας Σρέντετσκι (Σρέντετσκι κόμιτατ, Средецки комитат). Μετά την κατάληψη της βουλγαρικής πρωτεύουσας Πρεσλάβας από τους στρατούς του Σβιατοσλάβ Α΄ του Κιέβου και του Ιωάννη Α΄ Τσιμισκή το 970–971, ο Βούλγαρος Πατριάρχης Δαμιανός επέλεξε τη Σόφια ως έδρα του τον επόμενο χρόνο και η πρωτεύουσα της Βουλγαρίας μεταφέρθηκε για πρώτη φορά στο Σρέντετς. Το δεύτερο μισό του 10ου αιώνα η πόλη κυβερνήθηκε από τον Κόμιτ (Κόμη) Νίκολας και τους γιους του, γνωστούς ως Δυναστεία Κομητόπουλων. Ένας από αυτούς ήταν ο Σαμουήλ, που έγινε Αυτοκράτορας της Βουλγαρίας το 997. Μετά από μερικές ανεπιτυχείς πολιορκίες, η πόλη υποτάχθηκε στη Βυζαντινή Αυτοκρατορία το 1018, αλλά για μια ακόμη φορά ενσωματώθηκε στην παλινορθωμένη Βουλγαρική Αυτοκρατορία την εποχή του Τσάρου Ιβάν Ασέν Α΄.

Από το 12ο ως το 14ο αιώνα η Σόφια ήταν αναπτυγμένο κέντρο εμπορίου και βιοτεχνίας. Στα μέσα του 13ου αιώνα οι σεβαστοκράτορες της Σόφιας Καλογιάν και Ντεσισλάβα ήταν οι κυριότεροι χορηγοί της Εκκλησίας Μπογιάνα. Υπό την προστασία τους οι ζωγράφοι της Καλλιτεχνικής Σχολής του Τίρνοβο δημιούργησαν ρεαλιστικές τοιχογραφίες, που απεικονίζουν πάνω από 200 ανθρώπινες μορφές και ένα σύνολο 89 σκηνών έχουν έντονη ατομικότητα, πειστικά ψυχολογικά χαρακτηριστικά και ζωτικότητα, που φανερώνουν τα εξαιρετικά επιτεύγματα του βουλγαρικού μεσαιωνικού πολιτισμού. Με το ζωντανό ανθρωπιστικό ρεαλισμό τους αποτελούν φαινόμενο της Αναγέννησης στη φάση της κορύφωσής της στο πλαίσιο της κοινής Ευρωπαϊκής τέχνης. Το 1382 η Σόφια καταλήφθηκε από την Οθωμανική Αυτοκρατορία κατά τη διάρκεια των βουλγαροοθωμανικών Πολέμων, μετά από μακρά πολιορκία. Γύρω στο 1393 έγινε η έδρα του νεοϊδρυμένου Σαντζακίου της Σόφιας.

Η πόλη καταλήφθηκε από ουγγρικές δυνάμεις για μια σύντομη περίοδο το 1443. Μετά την αποτυχημένη σταυροφορία του Βλάντισλαβ Γ΄ της Πολωνίας το 1443 προς τη Σόφια η χριστιανική ελίτ της πόλης εξολοθρεύτηκε και η πόλη έγινε πρωτεύουσα της Οθωμανικής επαρχίας (μπεϊλερμπεϊλίκι) της Ρούμελης για πάνω από τέσσερις αιώνες, πράγμα που ενθάρρυνε πολλούς Τούρκους να εγκατασταθούν εδώ. Το 16ο αιώνα η ρυμοτομία και η όψη της Σόφιας άρχισαν να εμφανίζουν ύφος καθαρά οθωμανικό.

Υπήρχαν κρήνες, χαμάμ (λουτρά), επιφανείς εκκλησίες, όπως η Αγία Σοφία, μετατράπηκαν σε τζαμιά και το 17ο αιώνα υπήρχαν συνολικά 11 μεγάλα και πάνω από 100 μικρά τζαμιά, από τα οποία μόνο το Μπάνια Μπάσι παραμένει μέχρι σήμερα τζαμί. Την εποχή αυτή η πόλη είχε πληθυσμό περίπου 7.000 κατοίκους.

Το 16ο αιώνα υπήρχαν στη Σόφια 126 εβραϊκά νοικοκυριά και μια συναγωγή από το 967. Η πόλη καταλήφθηκε για αρκετές εβδομάδες από Βούλγαρους χαϊντούκους το 1599. Το 1610 το Βατικανό ίδρυσε την Επισκοπή της Σόφιας για τους Καθολικούς της Ρούμελης, που διατηρήθηκε μέχρι το 1715, οπότε οι περισσότεροι Καθολικοί είχαν μεταναστεύσει. Η πόλη ήταν έδρα του Εγιαλετίου της Σόφιας (1826 - 1864). Η Νεντέλια Πέτκοβα ίδρυσε το πρώτο βουλγαρικό σχολείο θηλέων στην πόλη. Οι Οθωμανοί απαγχόνισαν στη Σόφια τον Βούλγαρο επαναστάτη Βασίλ Λέβσκι.

Κατά τον Ρωσοτουρκικό πόλεμο του 1877-1878 ο Σουλεϊμάν Πασάς θα έκαιγε την πόλη, αν οι ξένοι πρόξενοι Λεάντρ Λεζέ, Βίτο Ποζιτάνο, Γκαμπριέλ Αλμοσνίνο και Γιόζεφ Βάλντχαρτ δεν μεσολαβούσαν για τη σωτηρία της. Εντούτοις η σωτηρία αυτή δεν αφορούσε τους Βούλγαρους πολίτες που υπέστησαν εκτελέσεις. Η Σόφια απελευθερώθηκε από την οθωμανική κυριαρχία από ρωσικές δυνάμεις υπό τον στρατηγό Ιωσήφ Γκούρκο, στις 4 Ιανουαρίου 1878. Προτάθηκε ως πρωτεύουσα από τον Μαρίν Ντρίνοφ και έγινε δεκτή ως τέτοια στις 3 Απριλίου 1879 του αυτόνομου Πριγκιπάτου της Βουλγαρίας, που έγινε το Βασίλειο της Βουλγαρίας το 1908. Τη στιγμή της απελευθέρωσής της ο πληθυσμός της πόλης ήταν 11.649 άτομα.

Τα περισσότερα τζαμιά της πόλης καταστράφηκαν κατά τον πόλεμο αυτό, επτά από αυτά σε μια νύχτα το Δεκέμβριο του 1878, όταν "μια καταιγίδα κάλυπτε τον θόρυβο των εκρήξεων που προκαλούσαν οι Ρώσοι μηχανικοί του στρατού".

Τις λίγες δεκαετίες μετά την απελευθέρωση η πόλη γνώρισε μεγάλη πληθυσμιακή αύξηση, κυρίως από μετανάστευση από άλλες περιοχές της χώρας. Το 1900 άναψε ο πρώτος ηλεκτρικός λαμπτήρας στην πόλη.

Κατά τον Β΄ Βαλκανικό Πόλεμο το 1913 η Βουλγαρία πολέμησε μόνη της εναντίον πέντε γειτονικών χωρών και ο ρουμανικός Στρατός μπήκε στη Βράζντεμπνα, τότε χωριό 11 χιλιόμετρα από τη Σόφια, σήμερα προάστιο, πράγμα που έκανε τη Βουλγαρία να συνθηκολογήσει. Κατά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο η Βουλγαρία κήρυξε τον πόλεμο στις ΗΠΑ και την Αγγλία και στα τέλη του 1943 και τις αρχές του 1944 η Σόφια βομβαρδίστηκε από την αεροπορία των χωρών αυτών. Συνέπεια των βομβαρδισμών ήταν να σκοτωθούν γύρω στις 2.000 άνθρωποι και χιλιάδες κτίρια να καταστραφούν ή να υποστούν ζημιές, μεταξύ αυτών η Δημοτική Βιβλιοθήκη και 40.000 βιβλία. Το 1944 η Σόφια και η υπόλοιπη Βουλγαρία καταλήφθηκαν από τον σοβιετικό Κόκκινο Στρατό και, λίγες μέρες μετά τη σοβιετική εισβολή, η Βουλγαρία κήρυξε τον πόλεμο στη Ναζιστική Γερμανία.

Το 1925, η αποτυχημένη τρομοκρατική ενέργεια ακροαριστερών να δολοφονήσει τον βασιλιά προκάλεσε την καταστροφή μιας εκκλησίας και πολλά θύματα. Πέρασαν 20 χρόνια ως το 1945 για να πάρει την εξουσία το Πατριωτικό Μέτωπο και να εκτελέσει αρκετές χιλιάδες ανθρώπους. Η μεταβολή της Βουλγαρίας σε Λαϊκή Δημοκρατία το 1946 και σε Δημοκρατία το 1990 σήμανε σημαντικές αλλαγές στην όψη της πόλης. Ο πληθυσμός της Σόφιας αυξήθηκε γρήγορα λόγω της εσωτερικής μετανάστευσης. Ολόκληρες νέες περιοχές κατοικίας κατασκευάσθηκαν στα προάστια της πόλης,όπως Ντρούζμπα, Μλάντοστο και Λιούλιν. Το Μαυσωλείο του Γκεόργκι Δημητρόφ, όπου το σώμα του είχε διατηρηθεί με παρόμοιο τρόπο όπως στο Μαυσωλείο του Λένιν, κατεδαφίστηκε με εκρηκτικά το 1999.