Розкопки, проведені в монастирі Санта-Тереза ​​на схилах гори Ургуй, дали докази існування римських поселень (приблизно в діапазоні 50-200 рік) у нинішньому Старому місті Сан-Себастьяна. У цьому ж місці знайдені останки з X століття, тобто до заснування міста та перших письмових згадок про нього.

Хоча рік заснування міста невідомий, перша інформація міститься в документі 1014 року короля Навари Санчо I, згідно з яким монастир Сан-Себастьян передавався в руки абата Лейра та єпископа Памплони. Цей документ підтвердив у 1101 році король Наварри та Арагону Педро I. Перші письмові новини про Сан-Себастьян стосуються монастиря, розташованого в районі, який і сьогодні називається Сан-Себастьян Ель-Антігуо. Це місце спочатку було відоме, на думку деяких істориків, як Ізурум. Іспанський термін Сан-Себастьян і баскське слово Доностія етимологічно стосуються згаданого святого; у випадку баскської мови, від еволюції слова Дон (від лат. Domine) + Себастьян.

В XI—XII століттях монастир Сан-Себастьян Ель-Антігуо, водночас як духовний центр, був центром зароджуваного соціального та адміністративного життя населення цієї території, яке з часом, мало розвинутися в муніципалітет.

Сан-Себастьян заснував близько 1180 року Санчо VI, король Наварри, як морський порт країни. Його заселили гасконськомовні колонізатори. Проте з 1200 року місто завойоване і приєднано до Корони Кастилії королем Альфонсо VIII, ворогом Санчо. Традиційно прийнято вважати, що ця зміна від одного королівства до іншого відбулася шляхом переговорів або пакту. Однак, виходячи з перегляду історичних джерел, відомо, що Сан-Себастьян перейшов до Кастилії через військове завоювання.​ У будь-якому випадку, купці Сан-Себастьяну швидко звикли до змін, оскільки вони з порту невеликої держави Наварра без можливості територіального розширення, стали торгувати з порту-виходу до моря для кастильської монархії, набагато більшої, багатшої та сильнішої.

У 1248 році королі Кастилії вперше зробили ставку на військово-морські сили з Сан-Себастьяна, які взяли участь у виведенні з ладу мавританської ескадри та мосту Тріана (Puente de Isabel II[es]), результатом чого стала капітуляція міста Севілья. У 1265 році Наварра здобула право використовувати місто як морський порт за шлюбним договором. Альфонсо VIII розпочав надання серії привілеїв, наданих Сан-Себастьяну, одні з яких мали на меті зберегти наваррський рух, а інші — зберегти привілейоване становище торговців із Сан-Себастьяну на іспанському ринку. Це процвітання давало змогу місту кожного разу відроджуватися після численних пожеж, які трапилися шість разів за два з чвертю століття.

Столітня війна, війни угруповань (Guerras de bandos[es]) і рух Наварри у французькому напрямку з династичних міркувань призвели до серйозних наслідків для Сан-Себастьяна в другій половині XIV-го століття. Відбулося переміщення основних торговельних шляхів у бік Більбао, яке замінило Сан-Себастьян як центр комерційних перевезень. У січні 1489 року пожежа перетворила місто на попіл. Ця прикра подія була поштовхом для заміни дерев'яних будинків кам'яними. Ця пожежа стала останньою з середньовічних часів у Сан-Себастьяні.

З останньої чверті XV-го століття Сан-Себастьян пройшов шлях від торгового центру завдяки своєму стратегічному розташуванню до військового порту Пасаї, від комерційного міста до виконання функцій військово-морської бази. Ця нова роль Сан-Себастьяна як фортеці, відповідальної за зупинку нападів французів, дало початок місту, яке здобуло титули Благородного та Вірного. У період між католицькими монархами та Філіпа V, який тривав приблизно триста років, місто зазнало численних облог. Цей безперервний воєнний стан означав різке погіршення його економіки через витрати на укріплення, утримання гарнізону та постійне падінням морської торгівлі, яка з 1573 року погіршилася ще більше, оскільки Севілья придбала монополію на операції з Америкою.

Йому надано королем статус міста в 1662 році. До його заснування існували лише невеликі житлові райони в районі Антігуо, у Старому місті та в долині Урумеа, які повільно зростали до XV століття.

У 1719 році Сан-Себастьян був вперше взятий потужною французькою армією під командуванням герцога Бервікського, який виявив, що місто слабке укріпленнями та має невеликий гарнізон, якому не вистачає їжі та боєприпасів. Місто було окуповане гарнізоном із 2000 французьких солдатів до 25 серпня 1721 року, коли вони були евакуйовані згідно з Гаазьким договором.

Під час Війни за незалежність Сан-Себастьян був окупований у 1808 році наполеонівськими військами. Названий сувереном Іспанії Жозеф Бонапарт увійшов до Сан-Себастьяна 9 червня і проїхав вулицею Нарріка, де всі вікна були закриті. У червні 1813 року союзники — англо-португальські війська під прямим командуванням сера Томаса Грема (Thomas Graham[en]) і генералісимуса герцога Веллінгтона, з сильним контингентом військ і зброї взяли в облогу місто. Після кількох днів інтенсивного бомбардування та першого невдалого штурму, останній штурм відбувся 31 серпня через пролом, пробитий у стінах, що змусило французькі війська відступити до замку, де вони капітулювали 8 вересня. Загони союзників спалили місто вщент, попри антифранцузькі настрої мешканців міста. Залишилася лише одна неушкоджена вулиця, яка нині має назву «31 серпня». Війська також почали наступ на замок, а також на будівлі, розташовані на північ від Калле-де-ла-Трінідад (церкви Санта-Марія та Сан-Вісенте і монастирі Сан-Тельмо та Санта-Тереза).

Після війни зібрання найбільш впливових містян вирішило відбудувати місто на тому самому місці, проте з трохи зміненим розташуванням, але у тому ж стилі. Площа Конституції побудована 1817 року, а будинок уряду (теперішня бібліотека) між 1828 і 1832.

У 1823 році, під час вторгнення, відомого як «Сто тисяч синів Святого Людовіка» (Los Cien Mil Hijos de San Luis[es]), незважаючи на поганий стан оборони, ще не повністю сформованої, місто вибрало опір проти французької абсолютистської армії. Замість формальної облоги було обрано сухопутну та морську блокаду, яка тривала з 9 квітня до 27 вересня, коли місто капітулювало.

У 1833 році британські добровольці захищали місто від нападу карлистів. Загиблі поховані на «Англійському цвинтарі» на пагорбі Ургулл.

Поділ Іспанського королівства на п'ятдесят дві провінції започаткував столицю в Сан-Себастьяні; до того часу це відбувалося по черзі між Сан-Себастьяном, Толосою, Аспеїтією та Аскоітією, залежно від того, де проводилися засідання правлінь і де проживав корегідор (представник короля в провінції). Після нового перенесення до Толоси (1844 рік) у 1854 році Сан-Себастьян був оголошений столицею провінції. Було вирішено скасувати митницю на Ебро та закрити Сан-Себастьян як порт, придатний для торгівлі з Америкою.

У провінції утворилися дві партії: карлісти та ліберали, останні були прихильниками Конституції. Обидві партії захищали фуеро, але різними способами. Сан-Себастьян обрав лібералізм на більшій частині сільської місцевості Гіпускоа.

У 1863 році, після інтенсивних дебатів, стіни міста, які обмежжували розширення міста, були знесені. 4 травня цього року під акорди маршу, спеціально створеного для такого заходу, був знятий перший камінь, який, по шматочках, був розподілений між гостями в першому ряду.

Сан-Себастьян змінив орієнтацію: як тільки його період як фортеці закінчився, він почав виконувати роль столиці провінції, розпочавши її розширення, відображене в плані Антоніо Кортасара щодо нового міста.

По смерті короля Іспанії Альфонса XII у 1885 році його вдова, королева-регент Марія Крістіна, щоліта переносила двір до Сан-Себастьяна, проживаючи в палаці Мірамар. Міська рада Сан-Себастьяну, на знак визнання її великої роботи на користь міста, призначила її почесним мером. Пізніше Енсанче Кортасар надав місту його нинішньої архітектурної привабливості. Будівництво Казино в 1887 році збільшило кількість відпочиваючих. Усі варті уваги будівлі в місті датуються цим етапом (окрім тих, які знаходяться в Старому місті, найстаріші), такі як Собор Буен-Пастора, Школа мистецтв і ремесел (теперішнє поштове відділення) та Інститут Пеньяфлорида (пізніше була зайнята Школою промислових інженерів, а сьогодні є Культурним центром Колдо Мітчелена), палац Мірамар, театр Вікторії Євгенії, готель Марії Крістіни, вілли на Пасео де Франсія або Північний вокзал, а також решта будинків у Романтичному районі, всі вони з яскраво вираженим французьким стилем, завдяки чому Сан-Себастьян отримав прізвисько «Маленький Париж» або «Париж Півдня».

У 1914 році та з початком Першої світової війни Сан-Себастьян став найбільш космополітичним містом Європи. У його казино побували такі люди як Мата Харі, Лев Троцький, Моріс Равель та багато інших. У Сан-Себастьяні виступала французька опереткова трупа, російські балети, оперні співаки та багато інших відомих артистів.

У 1930 році в місті відбулася зустріч республіканських політиків, яка отримала назву «Пакт Сан-Себастьяна», що мало велике значення в подальшому приході Другої Республіки 14 квітня 1931 року. Фактично перший республіканський уряд був сформований, значною мірою, ядром учасників «пакту». Вибір столиці Сан-Себастьяна був зумовлений, з одного боку, близькістю міста до Французької Республіки та тим фактом, що Сан-Себастьян був літньою столицею Верховного Суду. Фернандо Сасіяін, головуючий у Пакті, був мером Сан-Себастьяна під час Республіки.

На початку громадянської війни баскський націоналіст Телесфоро Монсон очолив Комісію громадського порядку, створену Радою оборони Гіпускоа, яка об'єднала баскських націоналістів, республіканців, комуністів і соціалістів. Після створення уряду Еускаді, 7 жовтня 1936 року, Телесфоро Монсон також обіймав посаду міністра внутрішніх справ.

Невдовзі після початку громадянської війни в Іспанії 13 вересня 1936 року Сан-Себастьян потрапив до рук змовників. Диктатура зберегла Сан-Себастьян у ролі літньої столиці. У серпні з 1940 по 1975 роки Франко жив у палаці Айєт, який, куплений міською радою, був запропонований генералу. У той період тут проводилися засідання Ради міністрів Іспанії.

1953 відбувся перший Міжнародний кінофестиваль у Сан-Себастьяні.