Die Geschichte der Stadt Bruchsal beginnt bereits im 4. Jahrtausend vor Christus, als es eine Ansiedlung auf dem Michaelsberg gab.
Die älteste Ansiedlung ist im Jahre 640 bei der heutigen Peterskirche nachweisbar. Erstmals urkundlich erwähnt wird Bruchsal 976 anlässlich des Besuchs Königs Otto II. als bruhosella inter paludes (Königshof oder Wohnsitz zwischen den Sümpfen) erwähnt. 980 rasten Otto II., seine Frau Theophanu und Gefolge vom 8. bis 11. Oktober in Bruchsal im Königshof. 985 eignet Herzog Otto sich Bruchsal im salischen Kirchenraub an.
Im Jahr 1002 nimmt Heinrich II. in Bruchsal die Unterwerfung seines Rivalen Herrmann von Schwaben entgegen. 1056 schenkt Heinrich III. dem Bischof von Speyer, Konrad I., die Ansiedlung. Die Stadt verbleibt beim Bistum Speyer bis zur Säkularisation 1802 und wird Sitz eines Verwaltungsbezirks, der zunächst nur das eigentliche Stadtgebiet umfasst. 1067 wohnt Heinrich IV. zeitweise in Bruchsal.
1248 wird Bruchsal erstmals als Stadt bezeichnet, 1278 die Kirche St. Peter erstmals erwähnt, 1320 diese und der Königshof (Schloss) nach Beschädigung wieder neu aufgebaut. 1358 wird der Bergfried erbaut und 1452 die Stadtmauer vollendet. 1460 finden in Bruchsal erste Münzprägungen statt.
Im Dreißigjährigen Krieg wird Bruchsal 1622 von Mansfeld-Truppen verwüstet. 1644 plündert die französische Garnison aus Philippsburg Bruchsal, auch 1676 wird die Stadt durch die Franzosen teilweise zerstört und am 10. August 1689 unter dem Befehl des französischen Generals Duras erneut beschossen und total zerstört. Bruchsal zählt noch 130 Einwohner.
Am 24. April 1711 weilt Prinz Eugen von Savoyen in Bruchsal. 1716 übersiedelt der Bischof von Speyer, Heinrich von Rollingen, ins Bruchsaler Schloss. Damit wird Bruchsal Residenzstadt des Fürstbistums Speyer. Die Stadt wird gleichzeitig Sitz des Vizedomamts, welches das größte rechtsrheinische Amt des Fürstbistums darstellt. 1719 wird Kardinal Damian Hugo von Schönborn neuer Fürstbischof.
Unter seiner Verwaltung entstehen unter anderem ab 1720 das neue Barock-Schloss und ab 1742 die Peterskirche.
Die ersten Pläne für das Schloss in Bruchsal machte der Architekt Maximilian von Welsch. Fürstbischof Hugo von Schönborn wollte, als die Pläne schon fertig waren, ein zusätzliches Mezzaningeschoss (Zwischengeschoss für Bedienstete), für welches das geplante Treppenhaus zu klein war. Balthasar Neumann hat ca. 1731 die vorhandenen Pläne so elegant geändert, dass trotz Zwischengeschoss die Treppen das Schloss zusätzlich aufwertete.
Franz Christof von Hutten, der Nachfolger Schönborns, vollendete 1743 die umfangreichen Baumaßnahmen der Barockstadt Bruchsal, darunter auch Damianstor und Kaserne. Um 1755 wird auf seine Veranlassung hin das heutige Schönborn-Gymnasium eingerichtet. 1770 tritt der neue Bischof Graf Damian August Philipp Karl von Limburg-Stirum sein Amt an. Bruchsal zählt jetzt 6.000 Einwohner. 1796 besetzen französische Truppen die Stadt.
1797 wurde Philipp Franz Wilderich Nepomuk zu Walderdorff Fürstbischof von Speyer ( Wilderichstraße in Bruchsal ) und wohnte bis zu seinem tote im Schloss in Bruchsal. Er hat am 22. Juni 1798 die Leibeigenschaft aufgehoben, als Bruchsal 3856 Seelen zählte und davon nur 93 Seelen freie Bürger waren.
1798 hat Philipp Franz Wilderich Nepomuk zu Walderdorff auch die Schützenordnung der Bruchsaler Schützengesellschaft 1798 geschrieben. Diese Gesellschaft (e.V.) ist der älteste Verein des gesamten alten Kreises Bruchsal, welcher heute noch aktiv ist und höchste Erfolge nachweisen kann.
1803 gingen die kirchlichen Besitzungen durch die Säkularisation an Baden über. Das bisherige Vizedomamt Bruchsal innerhalb des Bistums Speyer wurde in die beiden badischen Ämter Stadtamt Bruchsal und Landamt Bruchsal aufgeteilt, welche 1807 zum Oberamt vereinigt, 1809 wieder in ein Stadt- und ein erstes sowie ein zweites Landamt geteilt und 1819 erneut zum Oberamt Bruchsal vereinigt wurden. 1806 bezog Markgräfin Amalie von Baden (1754-1832), aus dem Hause Hessen-Darmstadt, seit 1801 Witwe, das Bruchsaler Schloss (bis 1823). Sie bekam acht Kinder, darunter sechs Töchter. Nach dem Ende Napoleons weilten 1815 der russische Zar, Fürst Metternich, der König von Preußen, sowie dessen Sohn, der spätere Kaiser, bei Amalie im Bruchsaler Schloss. 1841 wurde die Eisenbahnlinie Heidelberg-Bruchsal-Karlsruhe fertiggestellt. 1848/49 streifte die badische Revolution Bruchsal nur am Rande. Während die Revolutionäre (Struve, Brentano, Goegg und andere) sich im Schloss versammelten und berieten, befreiten die Bürgerlichen Inhaftierte aus dem kurz zuvor fertiggestellten Zuchthaus. Am 23. Juni 1849 wurden bei dem Gefecht bei Ubstadt die Aufständischen von Kronprinz Wilhelm (Kartätschenprinz) zurückgeschlagen. 1856 wurde die Gasbeleuchtung eingeführt. Bruchsal erhielt die badische Guillotine. 1864 wurde das Oberamt Bruchsal mit dem aufgehobenen Amt Philippsburg zum Bezirksamt Bruchsal vereinigt, das zum neu gebildeten Kreis Karlsruhe gehörte. Am 1. Juni 1869 wurde die älteste deutsche Eisenbahnsignalfabrik (Schnabel-Henning) gegründet, die später durch Siemens & Halske übernommen wurde. 1870/71 ließ der Deutsch-Französische Krieg Bruchsal zum wichtigen Eisenbahnknotenpunkt werden. 1881 erhielt die jüdische Gemeinde eine neue Synagoge. Künstlerisch ausgestaltet wurde diese durch den gebürtigen Bruchsaler Kunstmaler Leo Kahn. Die industrielle Revolution führte insbesondere durch die Eisenbahn, den Tabak- und Hopfenanbau zu wirtschaftlichem Aufschwung. 1889 wurden die ersten Telefon-Anschlüsse verlegt.
1906 wurde das Fürst-Styrum-Hospital gebaut, 1908 der städtische Schlachthof eröffnet. 1914 ließ der Erste Weltkrieg Bruchsal zur Durchgangsstation für Nachschub werden. 1919/20 wurde die Stadt mit Strom versorgt.
1934 wurde die Autobahn Heidelberg–Bruchsal gebaut. 1936 wurde das Bezirksamt Bruchsal um einige Gemeinden des aufgelösten Bezirksamtes Bretten vergrößert. 1938 wurde die große Synagoge zerstört. Heute befindet sich an dieser Stelle das Feuerwehrhaus. Seit 1966 erinnert eine Gedenktafel an dieses Geschehen. 1939 wurde aus dem Bezirksamt Bruchsal der Landkreis Bruchsal, dem bis zum Beginn der Gemeindereform 1970 insgesamt 38 selbständige Städte und Gemeinden angehören. Am 1. März 1945 kurz vor 14.00 Uhr tötete ein Bombenangriff der USAAF mit 116 schweren Bombern um mehr als 1.000 Menschen und zerstörte unmittelbar vor Kriegsende (die Alliierten standen bereits am Rhein, 20 km entfernt) die komplette Innenstadt sowie das Schloss der damals 12.000 Einwohner zählenden Stadt. Am 2. April 1945 rückten Verbände der 1. Französischen Armee kampflos in Bruchsal ein. Vergewaltigungen und Plünderungen waren in den folgenden Tagen Alltag für die Bevölkerung.
Nachdem die Einwohnerzahl 1955 die 20.000er-Grenze überschritten hatte, wurde Bruchsal am 1. April 1956 Große Kreisstadt. 1971 bis 1974 wurden fünf Nachbargemeinden eingemeindet, darunter die beiden Städte Heidelsheim und Obergrombach. Am 1. Januar 1973 wurde im Rahmen der baden-württembergischen Kreisreform der Landkreis Bruchsal aufgehoben. Sein Gebiet wurde dem Landkreis Karlsruhe zugeordnet. Bruchsal verlor die Eigenschaft einer Kreisstadt, bleibt aber Mittelzentrum innerhalb des Oberzentrums Karlsruhe.
Heute gehören zu Bruchsal die Ortschaften Büchenau, Heidelsheim, Helmsheim, Obergrombach und Untergrombach.