Pierwsze ślady ludzkiego osadnictwa w okolicach Edynburga datuje się na epokę brązu i żelaza. Miasto bierze swoje początki od twierdzy obronnej założonej na wzgórzu zamkowym przez Edwina, króla Nortumbrii. Wokół twierdzy zaczęła powstawać osada, a gdy jej mieszkańcom przydzielono ziemie na tereny uprawne, ukształtował się pierwotny układ przestrzenny miasta. Pierwszą twierdzę nazywano w języku brytyjskim Din Eidyn, co oznacza „Twierdzę Edwina”. Nazwę tę przekształcono w języku angielskim na Edwinesburch, a następnie na dzisiejszą Edinburgh.

W 1. połowie IX wieku Edynburg wraz z całą Nortumbrią został podbity przez duńskich wikingów i włączony do obszaru prawa duńskiego. Po pokonaniu Duńczyków przez Edwarda Starszego w 910 miasto zostało przejęte przez Szkotów. W 1020 król Malcolm II włączył Edynburg na stałe do terytorium królestwa Szkocji. W XII w. pod edynburskim zamkiem istniało małe miasto, a w jego pobliżu rozwijała się osada przy opactwie Holyrood. W XIII w. obie osady stały się własnością królewską. Jednocześnie Edynburg wraz z pogranicznym rejonem Borders stał się przedmiotem sporu pomiędzy Anglią a Szkocją. Spowodowało to długotrwałe walki pomiędzy obydwoma królestwami, w czasie których Anglicy często oblegali i zdobywali miasto. W ciągu następnych stuleci Szkoci zdobyli przewagę w potyczkach z wojskami angielskimi i w XV wieku król Szkocji Jakub IV zdecydował o przeniesieniu stolicy kraju ze Stirling do Holyrood, przez co Edynburg stał się faktycznie stolicą Szkocji.

W czasach szkockiej monarchii miasto rozwijało się pod względem gospodarczym i kulturalnym. W 1603 król Szkocji Jakub VI jako pierwszy z dynastii Stuartów koronował się na króla Anglii, łącząc Anglię i Szkocję unią personalną. W tym samym roku założył Szkocki Parlament, który wkrótce utworzył swoją siedzibę na głównej ulicy Edynburga Royal Mile. W dawnym budynku pierwszego szkockiego parlamentu znajduje się obecnie Sąd Najwyższy Szkocji. W 1639 próba narzucenia Szkocji wyznania anglikańskiego wywołała zamieszki w Edynburgu, które rozwinęły się w bunt całego kraju, prowadzący w konsekwencji do Angielskiej Wojny Domowej. Po rozbiciu wojsk szkockich przez Olivera Cromwella Edynburg został zajęty przez Anglików.

W 1745 wybuchło 2. powstanie jakobickie przeciwko rządom angielskim. Armia powstańcza zajęła Edynburg, jednak po kilku początkowych zwycięstwach została rozgromiona pod Culloden. Klęska powstania była początkiem angielskich represji wymierzonych w Szkotów. Na znak angielskiej dominacji postanowiono zbudować nową dzielnicę, przeznaczoną głównie dla bogatych angielskich mieszczan, którą nazwano New Town. Na północ od zamku utworzono symetryczny układ szerokich i wygodnych ulic, przy których wznoszono szeregi wytwornych kamienic mieszczących apartamenty, banki i urzędy. Nazwy ulic w nowej dzielnicy miały upamiętniać angielską rodzinę królewską – centralna ulica nosi nazwę George Street od imienia króla Jerzego III, a równolegle po jej bokach biegną ulice Queen Street i Princes Street, których nazwy upamiętniają żonę Jerzego, królową Charlottę, oraz ich synów.

Klęska walk o niezależność nie spowodowała jednak upadku Edynburga. Inwestycje w dzielnicy New Town, połączone z powstaniem nowych instytucji naukowych i kulturalnych przyciągnęły do miasta wielu uczonych i artystów. Tworzyli oni idee dające początek nowemu szkockiemu społeczeństwu. Odchodzili od przestarzałych form narodu podzielonego na rodowe klany, w jego miejsce tworząc współczesne społeczeństwo brytyjskie. Rozpoczął się czas rozkwitu miasta przypadający na okres Oświecenia, kiedy w Edynburgu mieszkali i tworzyli myśliciele jak Adam Smith i David Hume. Życie kulturalne przenosiło się do nowych dzielnic z przeludnionego Starego Miasta, gdzie ograniczona murami miejskimi przestrzeń nie pozwalała na wznoszenie nowych budynków. Zamiast tego dobudowywano tam kolejne piętra do istniejących domów. W rezultacie dziesięciopiętrowa kamienica nie była na edynburskiej starówce niczym dziwnym, a niektóre budynki sięgały trzynastu pięter. Stare Miasto uległo poważnemu zniszczeniu w pożarze w 1824, lecz mimo to wiele z tych „wieżowców” zachowało się do dzisiejszych czasów.

W XIX w. liczba ludności Edynburga wzrosła z 90 tys. w 1801 do 413 tys. w 1901. Tak gwałtowny wzrost populacji miasta spowodowany był m.in. przez imigrantów z Irlandii, uciekających przed tzw. zarazą ziemniaczaną. W tamtym czasie w Edynburgu, podobnie jak w innych brytyjskich miastach, nadszedł okres uprzemysłowienia. Większość nowych fabryk i zakładów produkcyjnych powstała jednak w sąsiadującym porcie Leith, poza terenem ówczesnego Edynburga. Największym ośrodkiem przemysłu w Szkocji stało się Glasgow, Edynburg natomiast pozostał jednym z najważniejszych brytyjskich centrów nauki i kultury.