Antica città latina con il nome Tibur, chiamata da Virgilio con il titolo di Tibur Superbum (Eneide, Lib. VII) che tuttora campeggia nello stemma cittadino, si vanta di essere più antica di Roma, secondo lo storico Dionigi di Alicarnasso sarebbe stata fondata dagli Aborigeni in conseguenza del rito della primavera sacra[7].
L'insediamento arcaico si pensa che nacque nel 1215 a.C. e si fortificò sulla riva sinistra dell'Aniene ad opera dei Siculi, dove successivamente sorsero dapprima le fortificazioni nell'attuale contrada di San Paolo (presumibilmente nei secoli XI-X a.C.) e successivamente (VIII-VII sec.), avvicinandosi gli abitanti al fiume, l'acropoli e gli edifici antichi (dove sarebbero tornati poi ad arroccarsi i cittadini tiburtini del Medioevo), avvantaggiandosi della posizione dominante sul guado che costituiva il percorso più breve per la transumanza delle greggi fra l'Agro Romano e l'Abruzzo, lungo la direttrice che sarebbe poi diventata la via Valeria. Ancor oggi la contrada dell'antica acropoli si chiama Castrovetere.
Secondo Catone nelle Origines i Siculi vennero scacciati dai greci guidati da Catillo di Arcadia e i suoi tre figli Tibur, Corace e Catillo, che rinominarono la città con il nome del fratello maggiore. I Romani per significare lo stato in luogo chiamarono la città Tiburi che poi divenne Tibori, Tiboli e infine Tivoli per questo gli abitanti si chiamano tiburtini.
Il fatto che l'antica Tibur fosse punto di confluenza di popolazioni diverse (soprattutto Sabini e Latini), è confermato dall'esistenza del grande santuario di Ercole Vincitore
(restaurato dal giugno 2011), classico eroe divinizzato di origine greca, protettore dei commerci e dei luoghi in cui si svolgevano, i cui resti sono databili al II secolo a.C., ma che si può far risalire ad un più antico luogo di culto (forse nella zona dell'attuale Ponte dell'Acquoria) comune a popolazioni che si incontravano per commerciare, analogamente a quanto accadeva vicino al guado del Tevere nel Foro Boario già in epoca pre-arcaica.
Nel IV sec. a.C., dopo essere entrata nella Lega Latina, guerreggiò contro Roma, che intendeva sottomettere il Lazio, finché la Lega fu definitivamente sconfitta. Aiutò Roma nelle Guerre Puniche tanto da essere uno dei principali punti di rifornimento delle truppe. Rimase neutrale durante la Guerra Civile e fu riconosciuta municipio romano con la Lex Iulia municipalis nel I secolo a.C.. Dopo il passaggio da repubblica a impero Tibur si consolidò come centro commerciale e residenziale divenendo sede di molte ville di ricchi romani, come testimoniano i numerosi resti. Quelle ancor oggi note e identificate sono attribuite a Orazio, a Cassio, a Publio Quintilio Varo, a Manlio Vopisco (i resti di quest'ultima sono incorporati nell'attuale Villa Gregoriana). Lo stesso Augusto vi soggiornò ed amministrò la giustizia sotto i portici del santuario di Ercole Vincitore.[9] Il culmine di questi insediamenti fu rappresentato dalla villa di Adriano, nel II secolo d.C. Qui a Tivoli, nel 275 d.C., passò i suoi ultimi giorni la regina Zenobia di Palmira.
Nel Medioevo le invasioni barbariche portarono a un periodo di decadenza con conseguente abbandono delle ville e delle campagne, a seguito di ciò la popolazione si trasferì all'interno delle mura, un documento del 945 attesta che la città era governata da un duca. Tra il X e l'XI sec. Tivoli entrò in guerra con Ottone III. Nel Basso Medioevo Tivoli e Roma ritornarono alle armi perché Roma non sopportava la posizione strategica di Tivoli. Federico Barbarossa fu appoggiato dalla città e in cambio fortificò le mura e permise alla città di inserire l'aquila imperiale bello stemma cittadino. Tivoli fu sede vescovile (nota dall'anno 366) e fortemente implicata nelle contese feudali. Sempre gelosa della propria indipendenza, ma stretta tra i baroni romani e il feudo benedettino di Subiaco, per sottrarsi al patrimonio vescovile si schierò con i ghibellini; tuttavia questo non le risparmiò di dividersi continuamente in fazioni e di rimanere ostaggio della contesa fra i potenti romani, come i Colonna e gli Orsini, per tornare infine, nel XV secolo, nel patrimonio della Chiesa, del cui stato seguì le sorti.Nel 1461 papa Pio II costruì Rocca Pia e pose fine a tutti i conflitti e assoggettando la città al papato. Nel 1550 fu nominato governatore di Tivoli il cardinale Ippolito II d'Este (1509-1572), che promosse la realizzazione della celebre villa che dalla sua famiglia prende il nome. La sistemazione di Villa d'Este fu continuata dai suoi successori, il nipote cardinale Luigi d'Este (morto nel 1586) e il cardinale Alessandro d'Este (morto nel 1624).
In età medioevale era presente anche una comunità ebraica.[10][11]
Nel 1867 la città fu testimone della Campagna dell'Agro Romano per la liberazione di Roma con la colonna garibaldina Pianciani.
Negli anni dell'avvento del Fascismo (1921-1922) Tivoli, con la Giunta Parmegiani, eletta nel 1919 e a forte componente operaia, fu uno degli ultimi comuni d'Italia a guida socialista e comunista, insieme ad Ancona, Parma e Cremona, e la sua strenua resistenza alle pressioni del fascismo romano fu strettamente legata allo sfruttamento pubblico delle acque della cascata per la produzione di energia elettrica, che restò tale fino alla caduta della Giunta. I tentativi dei Fascisti romani, appoggiati da quelli locali che avevano in Guglielmo Veroli il loro segretario, furono continuamente rintuzzati dagli "Arditi del Popolo", formazioni di operai e contadini sorte in difesa delle Camere del Lavoro, che erano il consueto bersaglio deille incursioni delle "camicie nere". In questo contesto avvennero in quegli anni anche episodi di aggressioni di fascisti locali, come in occasione dello sciopero dei ferrovieri del 1920 o in occasione del rientro a Tivoli di bande fasciste che avevano partecipato a Roma a una manifestazione nel 1921. Gli sviluppi di quest'ultima aggressione portarono all'uccisione del segretario del Fascio Guglielmo Veroli da parte del segretario della Camera del Lavoro Dante Corneli, operaio delle cartiere invalido che, aggredito da 4 fascisti, tra cui il Veroli, nel vicolo Todini, si difese con le armi. Come reazione a questo episodio ci fu una vera e propria occupazione della città, con un uso massiccio della violenza da parte del Fascismo, che all'uopo trasferì a Tivoli il gerarca di Civitavecchia Pollastrini, famoso per la sua brutalità che gli aveva consentito di sconfiggere il più agguerrito gruppo di Arditi del Popolo del Lazio. L'attività di quest'ultimo consisté nell'esercitare una continua violenza sui membri della Giunta Parmeggiani, e nel tentativo, in parte riuscito, di dividere le maestranze della Centrale Elettrica. Questo consentì ai fascisti di esautorare, con la complice passività dei regi carabinieri, la Giunta Parmegiani, uccidendo in strada l'assessore Multineddu ed esiliandone i principali membri. Il Fascismo prese così il potere a Tivoli e immediatamente la Centrale Elettrica fu privatizzata passando nelle mani della società Anglo-Romana.