Болонья предположительно была основана этрусками до середины VI века до н. э. Первоначально город развивался вокруг святилища на холме и близлежащего некрополя. В IV веке до н. э. город был захвачен галлами. В 191 г. до н. э. его завоевали римляне.
В эпоху расцвета Римской империи в Болонье проживало порядка 10 000 человек, это был один из богатейших городов Италии.
После долгого периода упадка в Болонье наступило некоторое оживление в V веке при епископе Петрониусе. В частности, была построена церковь Св. Стефана. После падения Рима Болонья стала одним из форпостов Равеннского экзархата.
В 728 г. город был завоеван королем лангобардов Лиутпрандом и вошел в состав лангобардского государства.
В XI веке Болонья, получившая статус свободной коммуны, стала расти. В 1088 г. был основан первый в Европе университет — Студио.
В 1164 г. Болонья вошла в состав Ломбардской лиги, противостоявшей Фридриху Барбароссе.
В 1256 г. в Болонье был принят «закон рая» (Legge del Paradiso), отменявший рабство.
Основанный в 1088 г. университет придает городу еще большее значение. Университет Болоньи, самый первый Университет Европы, изначально был создан для изучения римского права. В то время, как другие университеты, например Сорбонна, основовались церковью или монархами, университет Болонии существовал благодаря сотрудничеству студентов и горожан. Он был важным центром европейской интеллектуальной жизни еще в средние века. До сих пор жизнь университета теснейшим образом связана с жизнью города. Болонья не избежала борьбы между гвельфами и гибеллинами Жители города пленили и удерживали до смерти Энцо Сына императора Фридриха II Штауфена.
В XV в., в результате борьбы между знатными и сильными родами, к власти приходит семья Бентивольо. Джованни II Бентивольо поощрял развитие науки и искусства.
В 1506 г. город входит в Папскую Область вплоть до французского завоевания. Болонья пережила также и период Австрийского владычества.
В 1860 г. Болонья входит в Пьемонтское государство.