Epoca antica L'area del comune di Pontedera risulta abitata fin dal 4500 a.C., come conferma il recente ritrovamento di un insediamento in località “Cava Erta”. La posizione era strategica per la vicinanza alla foce dei fiumi Era e Cascina, che si immettevano nel vasto sinus lagunare che a quel tempo lambiva le colline pisane.
È attestato un insediamento stabile nel Neolitico. Il villaggio è vissuto per almeno tre secoli (tra 5.350 e 5.000 anni fa) in una zona asciutta in prossimità di una foresta planiziale e lungo un paleoalveo fluviale, forse l'antico corso dell'Era o del Rotina.
Si sa che gli etruschi si spinsero fino alla riva sinistra dell'Arno e uno dei centri maggiori era Volterra. Ma la mancanza di toponimi etruschi nelle immediate vicinanze di Pontedera e lungo il tratto terminale del corso d'Arno potrebbe essere un indizio della scarsa propensione abitativa di quei luoghi durante l'antichità.
Sebbene la pianta del centro storico sia tipica degli insediamenti Romani, non esistono tracce documentate di quel periodo storico nella zona, né sono stati rinvenuti segni della civiltà Etrusca. Nella frazione di Gello sono peraltro documentati siti di età imperiale abbandonati nel III secolo d.C., verosimilmente a seguito della formazione del padule di Lavaiano.
In passato è stata identificata con Valvata, una località romana dell'Etruria che la Tavola Peutingeriana situa a 8 miglia romane da Pisa. L'autore della identificazione è Niccolò Sansone nella Tavola dell'Italia antica, come riporta il Targioni Tozzetti. Valvata però è stata identificata anche con Cascina e con Fornacette, anche se queste restano solo ipotesi.
Recentemente sono stati scoperti resti di una fattoria romana, probabilmente una fattoria dell'età imperiale augustea, in località Scafa, nei pressi del vecchio Ponte alla Navetta.
XII-XIII secolo Il nome della città deriva dal ponte che fu fatto costruire dagli Upezzinghi alla foce dell'Era quando ancora il borgo di Pontedera non esisteva. Le prime tracce della presenza del ponte sono del 1099. Esisteva invece all'epoca un villaggio, ora scomparso, di nome Travalda.
Le prime tracce di Pontedera risalgono al 1163 quando viene inclusa nell'elenco dei castelli pisani. Si presuppone però che all'epoca non fosse ancora stata fortificata e lo sarà solamente nella prima metà del XIII secolo. Nello stesso anno si ha notizia della chiesa di San Martino, posta sotto la pieve di Calcinaia. Nel 1172 i Pisani respinsero la coalizione di Cristiano (Lucca, Siena, Pistoia e i Guidi): fu il primo scontro avvenuto a Pontedera. Nei secoli si succedono molte altre battaglie tra Pisa e Firenze con esito alterno che portano Pontedera sotto il controllo ora dell'una ora dell'altra.
Il 1º luglio 1252 il castello fu teatro di una guerra tra Pisa ghibellina e la coalizione di Firenze e Lucca guelfa. Pisa risulta sconfitta e si ritira a Badia di S. Savino. Nel 1254 ci fu un armistizio in cui Pisa dovette cedere alcuni castelli a Firenze, tra i quali anche quello di Pontedera. Pisa non accettò però queste condizioni e rimase in possesso di Pontedera.
Il 23 settembre 1256, mediante un trattato, Pisa da una parte e Lucca e Firenze dall'altra, passò a questi ultimi ma fu riconquistato sei anni più tardi. Fu stabilito lo smantellamento del castello nella pace del 1256 fra Pisa e Firenze.
Rafforzò quindi le protezioni costruendo un largo fossato ma cadde nuovamente a Firenze nel 1266. Il conte Ugolino della Gherardesca nel 1274 accetta di smantellare il castello e il ponte. Nel 1278 il castello, non distrutto viene consegnato al papa. Nel 1285 è occupato dai ghibellini fuoriusciti da Firenze.
Nel 1284 è sotto il controllo pisano ma viene venduto come pegno di garanzia per trasformare il governo pisano da ghibellino a guelfo. Nel 1287 è occupato da Fiorentini e Guelfi ribelli di Pisa. Firenze il 19 luglio 1291 stanzia tremila lire per la fortificazione del castello, indebolito dalle guerre, e per la costruzione di un cassero.
Nonostante questi lavori Pontedera nel 1291 torna sotto il dominio pisano. Due giorni prima di natale venne assalito da Guido da Montefeltro, podestà di Pisa. Egli sapeva che a guardia del castello c'erano Guido Borgherelli e Nerino de Tizzoni con cento fanti invece di centocinquanta. I due castellani credendo nella forza delle mura avevano ridotto la guardia e preso le paghe dei fanti che non c'erano. Così il condottiero pisano di notte scalò le mura dalla parte dell'Arno e conquistò il castello. Il 12 luglio 1293 con la pace di Fucecchio Pisa è costretta ad abbattere le fortificazioni di Pontedera.
XIV-XV secolo Nel 1347 ricomincia la costruzione delle mura castellane e tra il 1353 e 1355 quelle della rocca. Nel 1328 viene preso e arso il castello di Pontedera e passa sotto la giurisdizione di Firenze. Nel 1341 mentre Pisa è occupata nella guerra con Lucca occuparono vari castelli pisani tra i quali Pontedera. Nel 1342 il castello è perso e ripreso dai Fiorentini.
Nel 1364 con la sconfitta pisana nella battaglia di Cascina e la successiva Pace di Pescia Pisa dovette cedere molti castelli al suo nemico fino all'accordo del 1369, tra i quali però non figura quello di Pontedera.
La battaglia più importante si tenne nel 1369. Fu combattuta tra l'esercito fiorentino e quello mercenario di Bernabò Visconti signore di Milano, comandato dal celebre condottiero Giovanni Hawkwood, già al servizio della Repubblica Fiorentina, la quale fu sconfitta in questa occasione.
Nel febbraio 1399 Gian Galeazzo Visconti compra per duecentomila fiorini da Gherardo D'Appiano Pisa e il suo territorio. Alla morte di Gian Galeazzo Pisa viene ereditata da suo figlio illegittimo Gabriele Maria. Con un trattato firmato a Sarzana nel 1405, Pisa si trova al centro di uno scambio tra i Visconti e i Fiorentini, i primi appoggiati dal re di Francia Carlo VI, ottengono 206.000 fiorini e Sarzana, i secondi ottengono Pisa e il suo territorio.
Nel 1392 Pietro Gambacorta viene assassinato da Jacopo D'Appiano a causa delle sue posizioni filo-fiorentine. Il governo di Pisa era stato nel frattempo assunto da Gabriele Maria Visconti, figlio illegittimo di Gian Galeazzo, il quale sottoporrà la città di Pisa ed i suoi cittadini a sistemi esattoriali vessatori. I pisani, profondamente umiliati, trucidano la guarnigione fiorentina posta a presidiare la città; tornano così a riaprirsi le ostilità tra le due città.
I fiorentini avanzano rapidamente verso Pisa, i Pisani, sentendosi perduti, scelgono di offrire la loro città al Duca di Borgogna il quale invia un'ambasciata per intimare agli assediatori di allontanarsi da Pisa. Nel 1406 dopo ben nove mesi di assedio Pisa cede e viene assoggettata al dominio fiorentino. Pontedera e altri castelli nel 1431 si ribellano ponendosi sotto la protezione del Piccinino, comandante dell'esercito del duca di Milano. Dopo appena un anno, tuttavia, Firenze riconquista tutto e questa volta definitivamente.
Nel 1432 i fiorentini persero alcuni castelli tra cui quello di Pontedera fu proprio ad opera di Antonio da Pontedera, un condottiero di ventura di Pisa, al soldo della repubblica di Lucca.
Pontedera aveva subito parecchie perdite nel corso degli anni per via delle continue guerre così nel 1454 la Signoria di Firenze ordinò a cento famiglie di Camporgiano e a cento famiglie di Albiano e Caprignola di trasferirsi a Pontedera per ripopolare la zona. Ai nuovi abitanti furono concessi per dieci anni esenzione dai tributi poi rinnovati fino al 1534. Fu proprio per questo motivo evidentemente che rimase fedele a Firenze nel 1494 quando, durante una sollevazione pisana, caccio il presidio inviato in occasione della venuta di Carlo VIII a Pisa.
Dal XVI al XIX secolo Iniziò comunque l'ennesimo periodo di guerre, anche Pontedera fu occupata dai Pisani ma nel 1509 Pisa si arrese a Firenze, questa volta definitivamente.
Nel 1554 il Marchese di Marigliano ordinò la distruzione delle mura di Pontedera. Ciò avvenne perché i pontederesi durante la guerra austro-ispano-medicea accolsero nel proprio castello Piero Strozzi l'11 giugno. Truppe della famiglia Strozzi erano già presenti in passato a Pontedera e cercò quindi di ristabilire rapporti di fedeltà politica bruciando le scritture pubbliche ed elargendo esenzioni fiscali.
Cessato il periodo di ostilità, a partire dal Rinascimento Pontedera assume sempre di più le caratteristiche di un comune a forte vocazione commerciale, ottenendo l'autorizzazione ad una fiera annuale prima e ad un mercato settimanale poi.
Con il 1565 Pontedera, dopo essere stata per lungo tempo sotto la giurisdizione di Cascina, acquista una sua propria competenza giurisdizionale estesa al territorio di Ponsacco e Camugliano, Calcinaia, Gello, Montecastello, Pozzale. Nel 1637 Ferdinando II dei Medici, istituendo il marchesato di Ponsacco e Camugliano con sede di residenza del Commissario feudale elimina la podesteria di Pontedera su questo comune.
I Lorena avevano concesso a Pontedera la fiera annuale già dal 1471 e mercato settimanale dal 1546 ogni mercoledì. Il Consiglio dei Duegento delibera il 26 marzo 1565 lo spostamento del giorno del mercato settimanale al venerdì, tradizione che rimane ancora oggi. Questa cambiamento è avvenuto su richiesta degli stessi abitanti per la concomitanza il mercoledì del mercato a Pisa. Dal 1680 abbiamo notizie dell'esistenza della misericordia a Pontedera. L'ultima porzione di mura medievali e la rocca dell'XI secolo esistenti vicino all'attuale Piazza Cavour venne ritenuta un ostacolo allo sviluppo delle attività commerciali e quindi distrutta nel 1846 dal Granduca Leopoldo su richiesta dei commercianti locali. L'11 e 12 marzo 1860 come nel resto della Toscana ci fu il plebiscito per aderire allo Stato sabaudo. 2210 furono i voti favorevoli, 14 quelli contrari, 2 i voti nulli.
A partire dalla seconda metà dell'Ottocento Pontedera divenne il principale centro dell'industria manufatturiera in Valdera e vide un notevole ampliamento urbano. Risale a questo periodo, infatti, la costruzione degli edifici più prestigiosi della città, come Palazzo Morini e Palazzo Stefanelli, nonché la completa edificazione del Duomo (chiamato informalmente dai pontederesi "Chiesa Nuova"). Nel 1888 fu inoltre inaugurato il nuovo edificio scolastico Curtatone e Montanara, che ospitò inizialmente le scuole elementari e il Ginnasio.
Nel 1870 Luzio Crastan, imprenditore di origine svizzera, si trasferisce a Pontedera e inizia la produzione di surrogati di caffè. La fabbrica è stata presente fino ai primi anni 2000 dove iniziò la produzione in via primo maggio (allora via pisana) sebbene l'edificio non sia lo stesso perché andato distrutto dopo l'incendio del 1916. Attualmente è abbandonata in attesa di essere demolita per far spazio ad un progetto di edilizia residenziale.
Nel 1898 vi furono rivolte per il pane in tutta Italia e ciò non risparmio Pontedera che ebbe addirittura un morto. L'8 maggio 1898 Corrado Gambaccini, di soli 13 anni, fu ucciso in questi tumulti da un colpo di fucile.
Inizi del XX secolo Nel inizi del novecento Pontedera era divisa in cinque quartieri: centro, Bella di Mai (nella zona dove adesso sorge l'omonimo parco), Crimea (tra via Corridoni e Via Mazzini), Cina (fuori del ponte) e Bellaria (a est dell'ospedale) 1. Bella di Mai (talvolta definito Belladimai) proviene dal francese Belle de Mai ed è stato sorto alla fine del XX secolo come fabbricato a corte dopo una bonifica dell'Era pochi anni prima.