Das heutige Stadtgebiet wurde schon in der Jungsteinzeit besiedelt. Wesentlich für die Entwicklung der Siedlung in vorrömischer Zeit und danach war deren Lage entlang der Bernsteinstraße. Relative Bedeutung gewann Pettau jedoch erst in der Zeit des Römischen Reiches. Im Jahr 69 n. Chr. wurde Vespasian in Ptuj zum römischen Kaiser ausgerufen. Unter Kaiser Trajan erhielt die Siedlung das Stadtrecht und wurde als Colonia Ulpia Traiana Poetovio zu einem wichtigen militärischen, kommerziellen und administrativen Zentrum. In der Schlacht bei Poetovio erlitt der Gegenkaiser Magnus Maximus im Juli 388 gegen Theodosius I. die entscheidende Niederlage. Bis zu seiner Plünderung durch die Hunnen lebten ungefähr 40.000 Menschen auf dem Gebiet der heutigen Stadt. Nach den Awaren besiedelten Slawen das Gebiet. Unter dem slawischen Fürsten Pribina war Ptuj Teil des Pannonischen Fürstentums. Ab dem 9. Jahrhundert gehörte das Pettauer Gebiet den Erzbischöfen von Salzburg, deren bedeutendste Ministerialen in diesem Gebiet die Herren von Pettau waren. Erzbischof Konrad I. (1106–1147) schloss mit den immer wieder einfallenden Ungarn Frieden und ließ auf dem Berg oberhalb der Stadt eine ältere verfallene Burg zur Sicherung der Reichsgrenze wieder aufbauen. Das Burggrafenamt übertrug er den Herren von Pettau, mit denen es in der Folgezeit immer wieder zu Auseinandersetzungen kam. Trotz der dominierenden Herren von Pettau entwickelte sich in Pettau ein Bürgertum, das durch Handel an der Straße von Ungarn nach Venedig, die hier die Drau überquerte, und durch die Schifffahrt auf dem Fluss zu erheblichem Wohlstand gekommen war. Um die Mitte des 13. Jahrhunderts wurde die Stadt Pettau ummauert, das Stadtrecht allerdings erst 1376 schriftlich aufgezeichnet und zwar auf ausdrücklichen Wunsch des Salzburger Vizedoms in Leibnitz, der für die Verwaltung der Salzburger Besitzungen in der Mittel- und Untersteiermark zuständig war. Das Pettauer Stadtrecht von 1376 mit seinen 195 Artikeln begünstigte Handel und Gewerbe und gehört zu den schönsten und geschlossensten Rechtsdenkmälern des Südostalpenraums. 1458 räumte Kaiser Friedrich III. als Dank für ein anderes Entgegenkommen des Salzburger Erzbischofs der Stadt Pettau eine Reihe von Handelsprivilegien ein. 1479 besetzten die mit Salzburg verbündeten Ungarn Burg und Stadt Pettau, die erst nach dem Tod von König Matthias Corvinus 1490 von König Maximilian I. eingenommen werden konnten. 1511 verpfändete Maximilian Pettau an das Erzstift Salzburg und erst 1555 kaufte König Ferdinand I. Herrschaft, Stadt und Schloss Pettau/Ptuj wieder zurück, wonach es endgültig in das Herzogtum Steiermark eingegliedert wurde und bis zum Ende der Habsburgermonarchie 1918/1919 verblieb. In dieser Zeit kam es immer wieder zu Auseinandersetzungen mit dem Osmanischen Reich und auch Naturkatastrophen schädigten Pettau/Ptuj beträchtlich.