İlk ve ortaçağlarda adı Dorylaion olan kentin ilk yerleşim yeri hakkında üç bölgeden söz edilir. Bunlar, şimdiki çarşı yakınında sıcak su kaynakları civarı, ovanın ortasındaki Şarhöyük ve güney batıdaki Karacaşehir mevkiidir.

XIX. yüzyılda birçok gezgin ve bilim adamı, bu bölgeye yaptıkları gezilerin ve araştırmaların sonucunda Eskişehir’in 3 km. kuzeydoğusunda, Porsuk Çayı’nın kuzeyinde yer alan bugünkü adıyla Şarhöyük ören yerinin antik Dorylaion şehri olduğunu tespit etmişlerdir. Burada 1989 yılında itibaren Kültür Bakanlığı ve Anadolu Üniversitesi adına Prof, Dr. A. Muhibbe Darga başkanlığında bir ekip tarafından arkeolojik kazılar yapılmıştır. Burada İlk Tunç Çağı’na inen bir yerleşmenin olduğu tespit edilmiştir.

Porsuk Çayı’nın yaratacağı taşkınlıklardan ve çevresindeki bataklıkların yol açacağı sıtmadan, ayrıca dışarıdan gelecek saldırılardan korunmak için plato yamacının hemen önünde Odunpazarı adı verilen sahada yeni bir yerleşim yeri oluşmuştur. İlk ve ortaçağda Eskişehir, Batı Anadolu’da büyük bir uygarlık kuran Friglerin egemenliğine girer. Burası bugün Eskişehir, Afyon ve Kütahya illeri arasında kalan dağlık bölgeyi kapsamaktadır.
Eskişehir ve çevresinde yapılan Arkeolojik araştırmalar gösteriyor ki Hititlerin (M.Ö 2000-1200) ve  Frigyalıların ( M.Ö 1200) yerleşim yerleri bu mekanlardır. Nitekim Eskişehir’in 40 km. Güneybatısında yer alan Yazılıkaya ( Midas) bu döneme aittir.

Bu topraklar daha sonraki yıllarda Romalıların eline geçmiştir. M.S. 395′te İmparatorluk Doğu ve Batı olarak ikiye ayrılınca Eskişehir yöresi Doğu Roma (Bizans) İmparatorluğu sınırları içinde kalmıştır. Hıristiyanlaşma sürecine giren Bizans’la birlikte kentte toplumsal yapıda önemli değişimler yaşanmıştır. Şehir istilalara maruz kalmadığı dönemlerde havasının güzelliği ve sıcak su kaynaklarının varlığı ile Bizans İmparatorlarının avlanma, dinlenme ve sayfiye şehri olmuştur. İmparatorluğun verdiği önemle bu bölge gelişmiş ve bu gelişme içinde Sivrihisar (Justinyanopolis) gibi yeni kentler kurulmuştur.

VII. yüzyılda İslamiyet’in hızla yayılması ve bu arada İstanbul’un fethine yönelik seferler sırasında şehir iki defa Müslümanların eline geçmiştir. Araplardan sonra bölge Türk akımlarına uğramış Malazgirt Zaferinden sonra Eskişehir Anadolu Selçuklularının idaresine geçmiştir. 

Daha sonra tekrar Haçlıların eline geçen Eskişehir, Selçuklu Sultanı Mesud döneminde, 1147′de Eskişehir önünde 2. Haçlı ordusu yenilmiş. Bizans’ın Selçuklulara karşı korunmasında büyük rol oynayan Dorylaion, ancak 1176’da Selçuklu Sultanı II. Kılıçaslan’ın Bizans İmparatoru Manuel Komnenos’u mağlup etmesi ve özellikle de Türkler’in 1196′dan sonra yöreye tamamen hakim olmalarından sonra kent, Selçuklular’ın egemenliği altına girmiştir. Bundan sonra uzun bir zaman yıkık ve terkedilmiş olan Dorylaion harabelerinin, yakınında yani güneyinde yeni bir yerleşim yeri kurulmuştur. Dorylaion harabelerine Eskişehir adı verilmiş ve bu ad o zamandan günümüze uzanmıştır.  

13.yy’da zayıflayan Selçuklular 1289’da bölgeyi Osman Gazi’ye vermişlerdir. Orhan Gazi döneminde ise bir süre Karamanoğullarının eline geçen Eskişehir, Sultan I.Murat tarafından yeniden Osmanlı topraklarına katılmıştır. Bizans’a karşı yürütülen savaşlarda bir üs olmuştur. 1291 yılında Osman Gazi Karacahisar’ı Feth edince burada ilk Cuma namazı kılınmıştır. İlk Cuma Hutbesinin Karacahisar’da Bayram Hutbesinin’de Eskişehir’de okunduğu kaynaklarda belirtilir.  Bu yönüyle merkezi Eskişehir olan Sultanönü Sancağı Osmanlı İmparatorluğu’nun ilk yerleşim sahası olmuştur.

1333 yılında Şehri gezen İbn-i Batuta şehrin müderrislerinin çokluğundan bahseder. Kanuni devrinde İran seferleri sırasında şehir bir menzil noktası olarak bilinir. Kaynaklarda Şeyh Şahabettin Sühreverdi, Ahi Mehmet, Ahi Mahmut zaviyelerinin bulunuşu bu devirde şehrin köklü bir kültür merkezi olduğunu gösterir. Daha sonraki yıllarda da sürekli nüfusu artan bir yerleşim yeri olduğu kaynaklarda belirtilmektedir.

Ancak Anadolu’da tam bir Osmanlı hâkimiyetinin kurulması ile Eskişehir parlak günlerini kaybetmeye başlamış ve Fatih’in ilk zamanlarına kadar Ankara Beyliği’ne bağlı bir sancakken 1451-1831 yılları arasında Kütahya Beylerbeyliği’ne, 1841′de ise Bursa Eyaleti’ne bağlanmıştır. 

Eskişehir 19.yy ortalarından itibaren değişmeye başlamıştır. Osmanlı Rus Savaşı ardından kente yerleşen göçmenler ve 1894 yılında işletmeye açılan Bağdat Berlin demiryolu bu değişimi yaratan en önemli iki etkendir.

Bu iki olayın etkisiyle nüfus artmış mali alanda gelişmeler kentin büyük bir idari yapıya dönüşmesine yol açmıştır. 2. Meşrutiyet’in ilanından sonra bağımsız sancak olan ve Almanlar tarafından kurulan Cumhuriyet öncesi ilk Cer atölyesi ile sanayi alanında Eskişehir, atılım yapan ender Anadolu kentlerinden biri olmuştur.

Demiryolu inşası 19. yüzyılda şehrin gelişmesinde önemli rol oynamıştır. Bu dönemde Rumeli muhacirleri şehirde iskân edilmiş I. Dünya Savaşında 20 Temmuz 1921 de şehir yunan işgaline maruz kalmış 2 Eylül 1921’de şehir kurtarılmıştır.

1925 yılında Vilayet merkezi olan Eskişehir Cumhuriyet döneminde Ziraai Merkez görünümünü terk ederek bir Ticaret ve Endüstri şehri olmuştur. Çifteler ilçemizden doğmakta olan Sakarya Nehri ve onun kolu olan Porsuk Çayı ilimiz tarımına büyük katkı sağlamaktadır. Arazisi tarıma elverişlidir ve muhtelif tarım ürünleri yetiştirilmektedir. İlin arazisinin % 43 ’ ü tarım alanı, %25’i çayır ve mera % 26’sıda Ormanlık ve Fidanlıkla kaplıdır.