先秦时期温州地属百越之东瓯，公元前333年楚威王破越国，*越王，越部分族迁东瓯定居。西汉惠帝立驺摇为东海王，温州地属于东海。汉昭帝时属会稽郡回浦县，东汉章帝时属章安县东瓯乡，顺帝永和三年，分章安县东瓯乡设永宁县，是为温州建县之始。
东晋明帝庆宁元年（323年），析临海郡温峤岭以南地区置永嘉郡，辖永宁、安固、横阳、松阳四县，治永宁，建郡城于瓯江南岸。这是温州设郡之始。南朝刘宋时谢灵运贬宁永嘉，遍历诸县，多有题咏，成为山水诗鼻祖。隋开皇九年（589年），永宁、安固、横阳、乐成四县合并，称永嘉县，属处州（后改括州、永嘉州等）。唐高宗上元二年（675年），从括州析永嘉、安固两县设温州，这是温州得名之始，至今已有1300多年了。
两宋时设温州辖永嘉、乐清、平阳、瑞安4县，属两浙路。在两宋时温州人才辈出，赵师秀、徐照、徐玑、翁卷并称永嘉四灵，反对江西诗派“资书以为诗”的做法，上学贾岛、姚合，下开江湖诗派。宋元间爱国诗人林景熙在南宋为官，宋亡后不仕，隐居于平阳县城白石巷，元朝挖掘绍兴宋帝陵墓时，林景熙激于爱国义愤，收拾帝后骸骨重葬，他教授生徒，从事著作，漫游江浙，名重一时，学者称“霁山先生”，是温州二千年历史中成就最高的诗人，历来受到极高的评价。
元至元十三年（1276年）改瑞安府为温州路，属浙东宣慰司，辖永嘉、乐清、瑞安、平阳4县。元代温州瑞安人高明是历史上著名的戏曲作家，为官清廉，敢忤权贵，调护百姓，元末天下大乱，辞官归隐，寓居宁波，创作《琵琶行》，作品问世后，蜚声剧坛，达到“演习梨园，几半天下”的盛况，代表了南戏的最高的成就，标志着南戏创作艺术上的成熟，高明被誉为“南戏之祖”。著名画家黄公望擅长画山水，曾得赵孟頫指授，气势雄秀，笔简神完，自成一家，得“峰峦浑厚，草木华滋”之评，名列“元四家之首”，传世画作有《富春山居图》《水阁清幽图》等。
明清时设温州府，辖永嘉、乐清2县及瑞安、平阳2州。温州有刘基（刘伯温）是元末明初政治家、文学家，明朝开国元勋。刘基精通天文、兵法、数理等，自至正十九年（1359年）加入朱元璋集团后，辅佐朱元璋平天下，筹划军事，肃纲止*，封诚意伯。火器专家赵士桢一生中研制改进多种火器，发明的“迅雷统”、“掣电铳”、“火箭溜”、“鲁密铳”、“鹰扬炮”等，在抗倭战斗中发挥了强大的作用，影响巨大，在中国古代科技史上占有重要地位，著有《神器谱》《神器杂说》《神器谱或问》《防虏车铳议》等。
