Най-старите поселения на територията на днешния град са датирани в VI хилядолетие пр.н.е. Предполага се съществуването на няколко праисторически селища, като най-старото и най-значимото е това, разположено върху едно от тепетата на Пловдив, познато днес като Небет тепе.
Първоначално селището възниква в естествено укрепеното и защитено място на предната част на северния хълм. Постепенно то се разширява и към останалите хълмове, за да даде началото на най-значимия тракийски град в България. По това време тези земите са обитавани от тракийското племе беси. Учените все още не могат да дадат еднозначно мнение за името на града по това време - Евмолпия или Пулпудева.
През 342 г. пр.н.е. Филип Македонски превзема тракийското селище на Небет тепе. Това е времето, когато Македонското царство започва да се налага като най-могъщата сила на Балканския полуостров, за да достигне своя връх по времето на Александър Македонски. В този период името на града е Филипопол. След IV век пр.н.е. градът се разраства и заема мястото си на политически и икономически център на Тракия.
Различни са предположенията за това кога около Филипопол е изградена крепостна стена. Според някои учени селището става град и е укрепено още през второто хилядолетие пр.н.е. Съществуват предположения, че на това място е имало изграден владетелски комплекс и култов център. Направените нови археологически проучвания обаче водят до открития, даващи основания да се приеме, че Филипопол придобива градоустройствен и архитектурен градски облик около IV в. пр.н.е.
През периода на елинизма градът се разраства в източна посока, предимно в пределите на Трихълмието. Въпреки това последните археологически проучвания дават сведения, че по това време Филипопол започва да расте и в подножието тепетата. На Небет тепе са открити руини на жилища и укрепителни съоръжения, датирани от този период.
През I в. Филипопол е включен в пределите на Римската империя. Този акт засилва неговото значение като политически, икономически и културен център на провинция Тракия. В този период той става и град метрополия – областен център. В него са били заседанията на койнон тракон – общото събрание на траките, с представители от всички селища в провинция Тракия. Това е и периодът, през който градът "слиза" под Трихълмието в равнината. Така се запазва устройствената структура, характерна за всички градове, възникнали преди периода на Римската империя, и развили се под нейното управление: Акропол – на високо място на Трихълмието, нов град – с проведена ортогонална градоустройствена схема, и с площад (Форум) – административен и обществен център, и разположени около него обществени сгради.
Комплексът "Небет тепе" продължава да играе важна роля като елемент от укрепленията на града до XIV век, с множество допълнения и подобрения по време на Античността и Средновековието. Забележителна находка от това време е намерената цистерна (резервоар) с вместимост 350 куб. м.