Остатки первых построек на территории современного Гамбурга датируются археологами V—VI в. нашей эры и относятся к эпохе Великого переселения народов. Старейшие же из на сегодня найденных следов жилищ племени сев.-альбингских саксов находится в р-не впадения р. Альстер в Эльбу (совр. центр города) и датируются IV веком н. э.
Поселение, которое впоследствии дало начало собственно городу Гамбург, возникло в устье Альстера в VIII веке. В 808 году императором Карлом Великим была построена крепость Хаммабург. Название происходит от старосаксонского названия хам, что значит — берег реки и слова бург — крепость.
В XII в. в связи со стремительным развитием торговли на севере Европы существенно возросло значение реки Эльбы как важной транспортной артерии. 7 мая 1189 г. император Фридрих I Барбаросса предоставляет Гамбургу значительные торговые привилегии, в том числе позволив Гамбургу собирать таможенные пошлины с товаров, перевозимых по Эльбе. Это обстоятельство сыграло большую роль в развитии гамбургского порта, и сейчас этот день празднуется в Гамбурге как «день рождения порта» (нем. Hafengeburtstag).
Одним из первых Гамбург вошёл в созданный в Средние века в Северной Европе Ганзейский союз и стал важнейшим портом на Северном море. Город служил перевалочным пунктом в перевозке зерна, тканей, мехов, сельди, пряностей, леса и металлов. В 1510 г. Гамбург получает статус «вольного имперского города» (нем. Freie Reichsstadt), что по сути предоставляло ему независимость от императорской власти и право на самоуправление.
Дальнейший рост Гамбурга связан с открытием Америки и морских путей в Азию. С 1550 г. он становится одним из важнейших портов по доставке товаров в страны Европы.
В XVIII в. Гамбург во внейшей торговле испытал сильнейшую конкуренцию со стороны г. Альтона, принадлежащего датской короне и расположенного прямо по соседству — на берегу Эльбы вблизи западной городской черты Гамбурга, а также всячески поощряемого к соперничеству с Гамбургом датским королем. Суверенитет города был нарушен в 1806 г., когда после вторжения наполеоновских войск, он был присоединён к Французской империи. Оккупация французскими войсками продлилась до 1814 г., после чего независимость города была восстановлена.
После объединения Германии в 1871 г. город становится её главными «морскими воротами в мир». Через порт проходит примерно половина германского экспорта и импорта. Гамбург становится одним из важнейших промышленных центров Германии. Открытие в 1895 г. Кильского канала дополнительно повысило привлекательность Гамбургского порта, поскольку канал стал обеспечивать прямую связь с Балтийским морем.
Вплоть до середины XIX в. Гамбург оставался в пределах своих средневековых границ. Начиная с 1860 г. в связи с бурным развитием промышленности в состав города постепенно включаются близлежащие населённые пункты. К 1900 г. население города превысило миллион жителей. В 1923 году в Гамбурге произошло восстание коммунистов, возглавляемое Эрнстом Тельманом. В 1937 г. был принят «закон о Большом Гамбурге», определивший новые границы города, которые сохранились вплоть до настоящего времени. К Гамбургу были присоединены: крупнейший город провинции Шлезвиг-Гольштейна Альтона, Бергедорф и др. нас. пункты и территории.
В период Второй мировой войны город неоднократно подвергался авианалётам англо-американской авиации. Во время проведения операции «Гоморра» 25 июля — 3 августа 1943 г. от бомбардировок и вызванного ими гигантского пожара, погибло более 50 тысяч жителей и была разрушена большая часть городских зданий.