Wczesne osadnictwo i rozwój średniowiecza
Po zniszczeniu Eburonów przez Juliusza Cezara w 53 r. p.n.e. rzymski generał Agryppa skolonizował te tereny innym plemieniem, zwanym Ubii, pochodzącym z prawego brzegu Renu. Ufortyfikowana osada powstała w tym miejscu około 38 roku p.n.e. Było to miejsce urodzenia Julii Agrypiny, która była żoną cesarza Klaudiusza, i to na jej prośbę w 50 roku n.e. nadano miastu tytuł kolonii rzymskiej. Nazwano je Colonia Claudia Ara Agrippinensium, w skrócie Colonia; później stało się siedzibą gubernatora Dolnych Niemiec. Po 258 r. było przez pewien czas stolicą odłamu imperium rządzonego przez Postumusa i obejmującego Galię, Brytanię i Hiszpanię. W 310 r. cesarz Konstantyn Wielki wybudował zamek i stały most prowadzący do niego przez Ren. Ceramika i szkło były produkowane w Kolonii już w czasach rzymskich. Około 456 roku została podbita przez Franków i wkrótce stała się rezydencją królów rypryjskiej części królestwa Franków.
Wspólnota chrześcijańska istniała w Kolonii prawdopodobnie już w II wieku, a miasto jest po raz pierwszy wymienione jako biskupstwo w 313 roku. Karol Wielki uczynił je arcybiskupstwem pod koniec VIII wieku; w X wieku arcybiskup zdominował miasto, otrzymując szeroki zakres myta, ceł i innych opłat. Przemysł i handel w mieście rozwijały się w średniowieczu, zwłaszcza od około X wieku, a między zamożnymi kupcami a arcybiskupem narastały coraz ostrzejsze konflikty. Pierwszy z nich dążył do wolności handlowej i politycznej, drugi do zachowania władzy doczesnej, która wzrosła od XIII w., kiedy to arcybiskup stał się jednym z elektorów uprawnionych do wyboru króla niemieckiego. Dopiero w bitwie pod Worringen w 1288 r. arcybiskup został ostatecznie pokonany, a miasto Kolonia uzyskało pełną samorządność. Od tego czasu Kolonia była faktycznie wolnym miastem cesarskim, choć oficjalnie została za takie uznana dopiero w 1475 r.
Do końca XIV wieku rządy w mieście sprawowali bogaci patrycjusze, ale w 1396 roku, po bezkrwawej rewolucji, ustanowiono nową konstytucję miejską, na mocy której 22 oddziały cechów stały się podstawą rządu, ponieważ wybierały radę, która miała władzę nad wszystkimi sprawami wewnętrznymi i zewnętrznymi.
Ten okres średniowiecza był dla Kolonii okresem świetności. Była ona znaczącym członkiem kupieckiej Hanzy, a jej kupcy mieli prawdopodobnie najszersze kontakty i najbardziej zróżnicowany handel spośród wszystkich niemieckich miast. Do rzemiosł należała produkcja tkanin, księgarstwo, kaletnictwo, emaliowanie i obróbka metali, przy czym szczególnie cenne były prace kolońskich złotników. Rozwijała się tu również sztuka i religia. W kolońskich szkołach uczyli trzej najwięksi uczeni i teologowie rzymskokatoliccy średniowiecznej scholastyki – Albertus Magnus, Tomasz z Akwinu i Jan Duns Scotus. Po wojnie trzydziestoletniej (1618-48) miasto jednak podupadło. Jeszcze w 1794 roku, kiedy Kolonię zajęli Francuzi, publiczne nabożeństwa protestanckie były zakazane, a miasto pozostało w przeważającej mierze rzymskokatolickie. Gmina żydowska, która istniała od czasów Konstantyna Wielkiego, została wypędzona w 1424 r., a do 1794 r. Żydzi mieli zakaz nocowania w mieście.