Importantes yacimientos arqueológicos muestran el intenso poblamiento de la zona. Comprende diversos pueblos desde la edad de Bronce, como el íbero y el romano; identificándose ésta con la ciudad de Segóbriga, aunque no sin cierta polémica pues hay historiadores que la ubican en las cercanías de Saelices (Cuenca), donde existió una ciudad romana destruida que no volvió a ser habitada desde el siglo VIII.
Sin embargo, los indicios más fiables señalan a esta ciudad como Segóbriga, ya que en esta ciudad se restableció el obispado hispano visigodo de este nombre, históricamente conocido desde el tercer concilio de Toledo del año 589. El año 1176 tuvo sede provisional en Albarracín, mientras Segorbe continuaba bajo el dominio musulmán. En esta época árabe fue colonizada por bereberes de la familia Baraní de la confederación Sinbaya.
Por los años de las conquistas de Jaime I era refugio de Abu Said Abd Al-Rahman que tenía sede en el alcázar. Después de su conversión al cristianismo éste fue cediendo derechos y privilegios: en lo eclesiástico, al obispo de Segorbe por lo que se refiere a la ciudad y a diversos pueblos; en lo civil, a Jaime I, quien puso guarnición en la plaza el año 1245. Desde entonces, la ciudad ve una nueva etapa; el 21 de noviembre de 1279, un privilegio real firmado en Valencia, concedía a don Jaime Pérez, su hijo natural, en feudo perpetuo el castillo y villa de Segorbe, con todos sus derechos y prerrogativas. Don Jaime Pérez, Almirante de Aragón, lo dejó a su hija doña Constanza, la cual contrajo matrimonio con don Rodrigo de Luna. Su bisnieta doña María de Luna casó con el rey don Martín el Humano, volviendo por tal motivo el Señorío de Segorbe a la Corona. El infante Enrique Fortuna fue el primero que llevó el título de duque de Segorbe por donación de Alfonso V el Magnánimo. Su hijo Alfonso de Aragón casó con Juana Folch de Cardona, quedando desde entonces vinculadas ambas casas, constituyendo ésta una de las épocas más brillantes de Segorbe. En el siglo XVII se unió también por matrimonio al ducado de Medinaceli.
Paralelamente al desarrollo civil fue el eclesiástico, particularmente desde 1577 cuando los obispados de Segorbe y Albarracín fueron separados, lo que supondría un hito importante para el futuro desarrollo urbano de la ciudad.
Durante el siglo XIX es escenario de las guerras carlistas con un constante trasiego de tropas de uno y otro lado, aunque definitivamente ocupado por el ejército liberal en 1874. Entre el 8 de diciembre de 1874 y el 30 de enero de 1875, don Nicolás Ugarte, Comandante de Ingenieros del Ejército del Centro, pasaba a encargarse de las fortificaciones de la ciudad, consistentes en la circunvalación de ésta a través de un ligero muro de 2.890 metros perimetrales, formado en buena parte por simples casas aspilleradas, y en la construcción en la cumbre de la colina de San Blas de un fuerte defensivo.
Como complemento el mencionado ingeniero redactó el proyecto de las obras de defensa que han de construirse en la cumbre de la Estrella de la ciudad de Segorbe, aunque nunca fue llevado a la práctica en su totalidad por la finalización de la guerra.