Attorno a Pontedera si sono trovate tracce di insediamenti antichissimi, risalenti al periodo neolitico.
Successivamente il territorio fu abitato in epoca etrusca ma è soprattutto in epoca romana che Pontedera diventa un crocevia di strade terrestri (la via che da Pisa va a Firenze e dalle Maremme porta in Valdinievole) e fluviali (Arno ed Era) e quindi un punto di incontro e di scambi commerciali. Tuttavia solo in epoca medievale, e segnatamente nel ‘200, viene costruito il castello con le mura di mattoni e pietra, viene fortificato il ponte sull’Era (che esisteva probabilmente da alcuni secoli e forse anche in epoca romana) e il borgo assume una certa importanza soprattutto per motivi militari.
Tra il XIII e il XV secolo Pontedera entra di forza (e suo malgrado) nelle lotte che oppongono Pisa, Lucca e Firenze e viene conquistato ora da questa ora da quella città subendo saccheggi e danni alle abitazioni e alle fortificazioni. Da queste lotte Pontedera uscì più volte spopolata, tanto che alla metà del XV secolo ne fu ordinata la ripopolazione. È tuttavia in questo periodo di guerre e di pace frequenti che la città dette i natali allo scultore e architetto Andrea da Pontedera, lavorò per importanti committenti, soprattutto religiosi, di Firenze, di Pisa, di Orvieto e di altre località minori.
Dal punto di vista ambientale la città fu, fin dall’antichità, sottoposta agli allagamenti causati dell’Era e dall’Arno che frequentemente rompevano gli argini e invadevano tutta la piana. Memorabile rimane l’alluvione del 1333. Guerre, incendi e alluvioni continuarono a segnare la storia della città insieme allo sviluppo dei commercio anche nei secoli XVI e XVII che si inaugurano con la distruzione delle mura della città avvenuta nel 1554 ad opera del Marchese di Marignano, il quale volle punire la città per aver dato ospitalità alle bande di Piero Strozzi.
In quell’occasione la città fu anche saccheggiata e messa a ferro e fuoco e l’intera comunità uscì dal secolo XVI enormemente impoverita. Tra il ‘600 ed il ‘700 Pontedera entrò a far parte del Granducato di Toscana e con la concessione del mercato settimanale e la ripresa dei traffici commerciali, il territorio avviò una timida fase di sviluppo proto-industriale. Nella seconda metà del ‘700 a Pontedera prese il via in particolare la produzione dei tessuti di lana con grande diffusione del lavoro a domicilio gestito da piccoli mercanti imprenditori. Nell’Ottocento la lavorazione dei panni di lana fu sostituita dai tessuti di cotone ed è attorno alla produzione delle pezzi di stoffa che tra gli anni ‘80 del secolo XIX e il primo quindicennio del ‘900 sorse l’industria tessile pontederese che portò il tessuto urbano ad espandersi lungo la strada Pisana.
La città, cattolica, nell’età moderna ebbe poche chiese e tutte economicamente povere, le quali non riuscirono ad attrarre artisti di grande fama. La costruzione del Duomo risale alla metà dell’Ottocento, ma il suo completamento avvenne solo nella seconda metà del ‘900.
A partire dagli anni ‘20 del ‘900 Pontedera vide crescere a fianco dell’industria tessile anche quella meccanica, grazie all’insediamento avvenuto nel 1924 della Società Piaggio di Genova. Durante il ventennio fascista la Piaggio costruì numerosi capannoni ed un intero quartiere destinato ad ospitare operai e impiegati specializzati che erano venuti a Pontedera da tutta l’Italia. Si allargò così in maniera considerevole sia l’area industrializzata di Pontedera, collocata a sud della Ferrovia, sia l’area residenziale. Grazie a questo favorevole trend economico nel 1930 ottenne il titolo di “Città”. La seconda guerra mondiale, i bombardamenti e il passaggio del fronte produssero danni ingentissimi sia al patrimonio industriale che a quello edilizio e provocarono numerosissimi morti.
Ma nel giro di pochi anni Pontedera seppe risollevarsi. La Piaggio riconvertì la propria produzione progettando e producendo lo scooter Vespa, le imprese edili ricostruirono il ponte distrutto e gran parte degli edifici pubblici e privati che erano stati abbattuti, i commercianti riaprirono le loro attività e le svilupparono in maniera rapidissima. Solo l’industria tessile non rinacque e al posto di molti capannoni delle imprese tessili sorsero abitazioni, scuole, cinema. Nel secondo dopoguerra Pontedera assunse inoltre le caratteristiche di città di servizi socio-sanitari e scolastici e divenne il punto di riferimento di un’area ben più ampia del proprio territorio comunale. Un duro colpo fu inferto alla città dall’alluvione del 1966. Ma anche da questa calamità i Pontederesi seppero risollevarsi rapidamente, traendone quasi occasione di nuovo sviluppo e nuovo slancio produttivo.
Sul piano politico Pontedera è stata guidata nel ‘900 prima della borghesia monarchico-liberale, successivamente dal partito fascista e nel secondo dopoguerra, ininterrottamente fino al 1995, da forze politiche di sinistra (PCI e PSI). A Pontedera è nato e si è formato politicamente nel circolo cattolico di San Luigi il presidente della Repubblica Giovanni Gronchi, che fu anche leader nazionale del Partito Popolare, della Confederazione Italiana del Lavoro e successivamente della DC.