Certamente la gens Plinia possedeva vasti latifondi nelle vicinanze della città ed una villa, che è più volte ricordata dallo stesso Plinio il Giovane nelle sue lettere. Gli scavi, operati dall'Università di Perugia in collaborazione con l'Università di Alicante in località Colle Plinio nel comune di San Giustino, hanno permesso di individuare la collocazione della villa di Plinio il Giovane. La città fu chiamata Tifernum Tiberinum dai Romani, al fine di distinguerla dall'omonimo insediamento posto sul Metauro, Tifernum Metaurense, e sembra che assunse una discreta rilevanza, visto che è citata anche da Plinio il Vecchio.

 

Non è possibile ricostruire con certezza la struttura urbanistica della città romana. Sicuramente la parte più antica della città corrisponde alla zona sud, dove, nel quartiere denominato Mattonata, sono stati rinvenuti alcuni mosaici, resti di strutture idrauliche ed una porzione di muro di quello che con ogni probabilità doveva essere un anfiteatro.

 

Incerta è la datazione della diffusione del Cristianesimo, attribuita dalla tradizione a san Crescentino o Crescenziano. Questo visse tra il III ed il IV secolo, e fu martirizzato a seguito di una condanna emessa proprio a Tifernum. Eubodio è documentato come primo vescovo di Tifernum Tiberinum nell'anno 465.

 

Secondo la tradizione, la città fu distrutta nel VI secolo ad opera dell'ostrogoto Totila e successivamente ricostruita dal vescovo Florido, poi santificato e proclamato patrono della città. La città venne dunque conquistata dai Longobardi, che la chiamarono Castrum Felicitatis e la ricompresero nel Ducato di Tuscia. In seguito passò sotto il dominio dei Franchi prima e dello Stato della Chiesa poi.

 

Intorno al 1100 si organizzò in Comune e fu minacciata dalle pretese dell'Impero, dello Stato della Chiesa, di Firenze e di Perugia. Nella prima metà del 1200 fu denominata Civitas Castelli e, nonostante le rivalità tra guelfi e ghibellini che ne mettevano spesso in pericolo la libertà, poté ugualmente godere di prosperità. In questo periodo infatti la diocesi tifernate si estendeva ben oltre i confini attuali, comprendendo anche gran parte dell'attuale altotevere toscano. Essa si estendeva anche nell'alta valle del Metauro verso Fano, nell'alto cesenate e nell'alta valle del Marecchia verso Rimini, cioè nelle odierne Marche e Romagna rispettivamente. Fra i secoli XII e XIII acquista indipendenza come comune autonomo il borgo di Sansepolcro, sorto agli inizi dell'XI secolo attorno all'omonimo monastero nel contado di Città di Castello.

 

Sul piano amministrativo la collocazione della città rimane piuttosto indefinita. Pur inserita nelle terre della Chiesa dall'VIII secolo, ancora nel 1312 viene rivendicata assieme alla vicina e "figlia" Sansepolcro dall'imperatore Enrico VII, come facente parte dell'impero.

 

Nel 1306 si iniziò a costruire la chiesa dei Servi di Maria, che poi verrà chiamata Santa Maria delle Grazie e diventerà anche nel tempo santuario mariano cittadino. Nella seconda metà del XIV secolo divenne maggiore l'influenza esercitata da Perugia, finché nel 1367 la città fu ricondotta sotto lo Stato della Chiesa dal cardinale Albornoz. Nell'anno 1368 Brancaleone Guelfucci sollevò la cittadinanza ed insorse, anche se il popolo tifernate riacquistò la libertà solo nel 1375 grazie all'intervento dei fiorentini.

 

Nel 1422 papa Martino V affidò la città al condottiero Braccio Fortebraccio da Montone, la cui famiglia detenne il dominio fino al 1440. In questo anno iniziarono le lotte per la conquista del potere tra varie famiglie tra le quali sono quelle dei Vitelli, dei Fucci e dei Tartarini.

 

Inizialmente si assistette ad un'Oligarchia composta da Vitelli, Giustini e Fucci. Si passò poi al dominio dei soli Vitelli, che eliminarono i Fucci e cacciarono i Giustini.

 

Successivamente seguirono periodi di forti rivalità, che videro anche il coinvolgimento di papa Sisto IV ed un lungo assedio alla città guidata da Niccolò Vitelli. In seguito ad alterne vicende tuttavia il dominio fu definitivamente preso dai Vitelli che posero a capo della città Paolo Vitelli e Vitellozzo Vitelli.

 

Quest'ultimo fu ucciso da Cesare Borgia, detto il Valentino, nella congiura di Senigallia nel (1502). Il Valentino si proclamò duca della città e mantenne il dominio per tutto il pontificato di papa Alessandro VI. Da questo momento fino alla fine del XVIII secolo la città fu assoggettata allo Stato della Chiesa, che concedette però la reggenza ad un governatore alle dipendenze della consulta romana. La famiglia Vitelli nelle alterne vicende del XV e XVI secolo incise notevolmente nello sviluppo economico e nell'importanza politica della città. Famiglia di mecenati e condottieri, molto legati ai Medici di Firenze, abbellirono Città di Castello con molti palazzi nei quali furono chiamati a lavorare i maggiori artisti del Rinascimento, primi fra tutti Raffaello Sanzio e Luca Signorelli. Fu significativo nel XVI secolo l'apparentamento dei Vitelli con la famiglia dei Rossi di Parma. Prima Vitello e poi Alessandro dopo la morte del fratello, sposarono Angela Paola, sorella di Pier Maria il Giovane conte di San Secondo e di Giovan Girolamo, prima vescovo di Pavia e poi governatore di Roma dal 1551. Angela Paola era anche cugina del granduca di Firenze Cosimo de' Medici e cognata di Camilla Gonzaga.

 

Il 12 gennaio 1798 fecero il loro ingresso in città i soldati della Repubblica Cisalpina, che proclamarono la repubblica. Solo il 5 maggio successivo le truppe francesi non furono in grado di sedare una rivolta partita dalle campagne e di spiccata tendenza antirepubblicana. L'ordine fu riportato il 18 giugno 1799, quando la città fu occupata dagli austriaci per volere del Papa.

 

Nel 1817 il territorio del comune di Città di Castello fu decurtato nella parte meridionale delle frazioni di Montecastelli, Niccone e Verna, che passarono al comune della Fratta, oggi Umbertide. Nel 1827 dal territorio comunale furono staccate anche le aree dei due nuovi comuni di San Giustino e Pietralunga.

 

La città durante i moti insurrezionali ottenne provvisoriamente la libertà dallo Stato Pontificio la sera dell'11 febbraio 1849. L'11 settembre 1860 fu definitivamente occupata dall'esercito piemontese e l'anno successivo entrò nello Stato Italiano, seguendone da questo momento le vicende storiche.

 

Durante la seconda guerra mondiale, nel periodo dell'occupazione tedesca e della Repubblica Sociale Italiana, il rettore del locale Seminario, don Beniamino Schivo, si segnalò per la sua coraggiosa opera umanitaria a favore dei civili, dei profughi e dei perseguitati. A lui deve la vita anche una famiglia di ebrei tedeschi che fu accolta, nascosta e protetta dalla deportazione fino alla Liberazione. Per questo suo impegno di solidarietà, l'8 giugno 1986, l'Istituto Yad Vashem di Gerusalemme ha conferito a don Schivo l'alta onorificenza dei "Giusti tra le nazioni"[8]. Fra gli altri trovò rifugio nel periodo delle persecuzioni anche Elio Toaff, divenuto poi rabbino capo della comunità ebraica di Roma e nominato cittadino onorario tifernate nel 1999.

 

Città di Castello fu liberata il 22 luglio 1944.

 

Nella seconda metà del XX secolo si è verificato un consistente aumento demografico, dovuto anche all'immigrazione dalle vicine Marche e Toscana, che ha portato il Comune di Città di Castello ad essere il quarto comune dell'Umbria per numero di abitanti. A partire dagli anni sessanta la città ha conosciuto un significativo mutamento del tessuto economico. Lo sviluppo industriale si è avuto specialmente nel settore grafico, meccanico, tessile, del mobile e della ceramica, ed ha cambiato profondamente il volto della città. Negli ultimi anni si è avuto anche un forte sviluppo di molte aziende di servizi, specialmente nel settore dell'educazione e della formazione a distanza.