San Gimignano sorse su un sito abitato sicuramente dagli etruschi, almeno dal III secolo a.c., come testimoniano i numerosi ritrovamenti archeologici (soprattutto tombe) nel territorio circostante. Il colle era stato scelto sicuramente per questioni strategiche, essendo dominante 324 m s.l.m.) dell'alta Val d'Elsa.

La prima menzione risale al 929, mentre alla fine del X secolo si trova citato nell'itinerario lungo la via Francigena dall'arcivescovo Segerico, che segnalava il "borgo" anche come punto di intersezione con la strada fra Pisa e Siena. Secondo la tradizione il nome derivò dal santo vescovo di Modena, che avrebbe difeso il villaggio dall'occupazione di Attila.

La prima cinta muraria risale al 998 e comprendeva il poggio di Montestaffoli, dove già esisteva una rocca sede di mercato di proprietà del vescovo di Volterra, e il poggio della Torre con il castello vescovile.

Verso il 1150, nonostante l'apertura di un nuovo tracciato della Francigena, San Gimignano continuò ad essere un centro emergente, con una politica di espansione territoriale e una significativa crescita delle attività commerciale. Fu in questo periodo che si formarono due "borghi" al di fuori delle mura: quello di San Matteo, verso Pisa, e quello di San Giovanni, verso Siena, entrambi lungo una nuova "via maestra", che vennero inglobati nelle mura con il nuovo tracciato completato nel 1214.

Nel 1199, nel pieno del suo splendore economico, il paese guadagnò la propria indipendenza comunale rispetto ai vescovi di Volterra. Non mancarono le lotte intestine tra guelfi e ghibellini (rispettivamente capeggiati dagli irriducibili Ardinghelli e Salvucci), ma al XII secolo, sotto i ghibellini, risale il periodo di maggior splendore economico, che si basava sul commercio dei pregiati prodotti agricoli locali, tra i quali il più ricercato era lo zafferano, venduto in Italia (Pisa, Lucca, Genova) ed all'estero (Francia e Paesi Bassi, fino anche alla Siria e all'Egitto[2]). Inoltre, al pari di altri centri toscani, si diffuse la speculazione finanziaria e l'usura. La solida economia permise la creazione di un ceto aristocratico urbano, che espresse la propria supremazia politica e sociale nella costruzione delle torri: nel Trecento si arrivò a contare 72 torri (oggi ne rimangono 14).

Gli ingenti capitali accumulati vennero investiti nel corso del Duecento in importanti opere pubbliche, che diedero alla cittadina l'articolazione degli spazi urbani visibile ancora oggi.

Nel 1251 le mura inglobarono Montestaffoli, ma pochi anni dopo, nel 1255, la città venne presa dai guelfi di Firenze che ordinarono la distruzione delle mura. Riacquistata l'indipendenza nel 1261 e tornata la supremazia ghibellina dopo la battaglia di Montaperti, i sangimignanesi ricostruirono le mura comprendendo anche il poggio della Torre. Da allora la conformazione cittadina venne suddivisa in quattro contrade, ciascuna corrispondente ad una porta principale: quella di Piazza, di Castello, di San Matteo e di San Giovanni.

Gli ordini religiosi, appoggiati dal comune, si insediarono in città a apartire dalla metà del Duecento: i francescani fuori porta San Giovanni (1247), gli agostiniani alla porta San Matteo (1280), i domenicani a Montestaffoli (1335) e le benedettine di San Girolamo presso la Porta San Jacopo (1337).

Dall'8 maggio del 1300 il Comune ebbe l'onore di ospitare Dante Alighieri come ambasciatore della Lega Guelfa in Toscana.

Il Trecento fu un secolo di crisi che non risparmiò San Gimignano: travagliata dalle lotte interne, essa fu pesantemente colpita dalla peste nera e la carestia del 1348, che decimò la popolazione. Nel 1351 la città stremata si consegnò spontaneamente a Firenze, rinunciando alla propria autonomia ed a un ruolo politico nello scacchiere toscano. Risale a quell'anno la Rocca di Montestaffoli, mentre nel 1358 vennero rinforzate le mura.

Nonostante il declino economico e politico, il XIV e XV secolo furono importanti dal punto di vista artistico, grazie alla presenza in città di numerosi maestri, senesi o più spesso fiorentini, chiamati soprattuto dagli ordini religiosi ad abbellire i propri possedimenti. Lavorarono a San Gimignano Memmo di Filippuccio, Lippo e Federico Memmi, Taddeo di Bartolo, Benozzo Gozzoli, Domenico Ghirlandaio, Sebastiano Mainardi (nativo di San Gimignano), il Pollaiolo, ecc.

Il declino e la marginalità della città nei secoli successivi furono le condizioni che permisero la straordinaria cristallizzazione del suo aspetto medievale.

Alla fine del XIX secolo si cominciò a riscoprire la particolarità e la bellezza della cittadina, che venne sottoposta integralmente vincolo monumentale nel 1929. Nel 1990 è stato dichiarato dall'Unesco patrimonio culturale dell'Umanità.