Услед његовог изразито значајног географског и стратешког положаја, историјски подаци о Петроварадину досежу знатно дубље у прошлост, него што је то случај са подацима о данашњем Граду Новом Саду. Заправо, у време када се на подручју Петроварадина развија све значајније насеље и када се полаже камен темељац за изградњу данашње тврђаве, преко Дунава, на бачкој страни, постоје скромне куће, које су заједно чиниле насеље, под називом Петроварадински шанац.
Ако се пође од дубоке прошлости, археолошки подаци показују да је на подручју Петроварадина постојалао палеолитско насеље из периода 50-45.000 година п.н.е., а да је од периода неолита (око 4500 п.н.е.) ово подручје константно насељено. Доминантан положај Петроварадинске стене над Дунавом и околином одувек је био интересантан свим народима који су се овде краће или дуже задржавали. Тако, прво земљано утврђење подижу Келти, који се на овим просторима појављују у IV веку пре нове ере. Затим се, у I веку пре нове ере, на овом подручју појављују Римљани, који овај важан стратешки пункт организују као своју тврђаву (Cusum), коју укључују у провинцију Панонију. Потом, настаје период нестабилности и Велике сеобе народа, услед којег се овде смењују многи народи, као што су Хуни, Остроготи, Гепиди, Лангобарди, Авари, Франци и Бугари. Током средњег века, подручје Петроварадина постаје поприште борби за превласт између Византије и Мађара, да би крајем XII века, Петроварaдин постао део средњовековне Угарске.
Из овог периода владавине Угарске над овим просторима, потиче и први званичан историјски документ који говори о постојању насеља на територији данашњег Петроварадина. У питању је повеља угарског краља Беле IV из 1237. године, у којој дарује имања и села новој цистерцитској опатији у Белакуту (средњовековно утврђење на локацији данашње Петроварадинске тврђаве). Временом је Петроварадин постајао све значајније насеље, пре свега због постојања скеле преко Дунава и вашара који су посећивали трговци из читаве Угарске.
Највећу опасност по тадашње становништво Петроварадина, представљали су Турци Османлије, чији је правац освајања ишао према северозападу. По освајању Београда и током похода на Угарску и Беч, Турци су 1526. године освојили Петроварадин, чиме отпочиње епоха њихове доминације на овом простору, дуга 161 годину. Током турске власти Петроварадин је имао статус седишта нахије и био је веома важна стратешка тачка, са две кључне саобраћанице у то време, Дунавом и Цариградским друмом. Петроварадин је том периоду имао око 200 кућа, а ту се налазила Сулејман-ханова џамија, а постојале су и две мање. Ту су била и складишта муниције, житни амбари, многи дућани, занатске радионице, школе, амами, као и други објекти османлијске архитектуре. У саставу града налазила се и хришћанска четврт са 35 кућа, насељених искључиво Србима.
Крајем XVII века, односно након Великог бечког рата и неколико катастрофалних пораза турске војске, Петровардин и Срем прелазе у састав Хабзбуршке монархије, чинећи јужну границу према Османлијском царству. Настала је потреба да се Петроварадин, као стратешки важна тачка у одбрани Хабзбуршке монархије, значајније утврди. Одмах се кренуло са рушењем старих турских објеката и израдом планова за изградњу моћног утврђења, чији ће основни задатак бити да заустави нова освајања Османлија на северу. Тврђава је пројектована и изграђена по чувеном Вобановом систему, односно у складу са најсавременијим достигнућима фортификацијске школе тог времена. Камен темељац је у име цара Леополда I положен 1692. године, а овај огроман грађевински подухват је изграђен на три различита, међусобно повезана висинска нивоа чију су основу чинили: Горња тврђава (на месту средњовековне тврђаве), Доња тврђава (или Доњи град у подножју) и Дворожни бастион (Хорнверк).
Радови оваквих размера, неумитно су довели до тога да се промени физички изглед тадашњег Петроварадина, и битно су утицали на будући изглед и намену кућа, зграда и саобраћајница. Ово се нарочито односи на изглед Доњег града који карактерише збијена урбана архитектура, обликована у стамбене блокове, са сачуваним војним, цивилним и сакралним објектима. Међу најстарије сачуване објекте, спадају некадашњи језуитски самостан и Црква Св. Јурја, која је грађена од 1701. године, затим фрањевачки самостан, касније пренамењен у војну болницу, као и зграда команде Тврђаве. На потесу главне улице, смештени су углавном сви некад најважнији објекти војне и цивилне управе, као и најрепрезентативније стамбене куће високих официра и чиновника, грађене током XVIII века у стилу барока. Поред њих, изграђени су и многи објекти посебне намене, као што су барутане, касарне, магазини, пекаре, апотека и гостионице. Од неколико капија које су сачуване, посебно су значајне две монументалне главне капије- Београдска и Нова капија.
Током изградње Тврђаве, одиграла се једна од највећих битака између Хабзбуршке монархије и Османлијског царства, која је одредила даље токове историје на овом простору. Битка код Петроварадина одиграла се 5. августа 1716. године, у којој је мешовиту хришћанску војску предводио легендарни Еуген Савојски, док је османлијску војску предводио Дамад-Али паша. Применивши посебну офанзивну тактику, Еуген Савојски је успео да надмудри далеко бројнију Османлијску војску и спаси Петроварадин од поновног освајања. О величини и значају ове битке, говоре и многе легенде које су се до данас одржале међу становништвом, као и кaсније подизање Цркве Снежне Госпе на данашњем излазу из Петроварадина, у знак велике победе хришћанске над муслиманском војском. Након ове битке, створена је могућност да под контролу Хабзбуршке монархије дођу читав Банат и Београд, а тиме се и граница између два царства померила јужно од Петроварадина, чиме отпочиње период у коме он губи прворазредни стратешки значај.
У оквиру Хабзбуршке монархије, Петроварадин је имао провилегован статус, а 1783. године постаје средиште Славонско-сремске генералне војне команде, чије становништво активно учествује у свим војним сукобима монархије широм Европе. Његова Тврђава, постала је једна од најбезбеднијих у читавом царству, са око 4000 војника и 400 топова.
Након завршетка Првог светског рата и војног пораза Аустроугарске монархије, Петроварадин улази у састав новоформиране Краљевине Срба, Хрвата и Словенаца.
Данас је Петроварадин, са својом Тврђавом, део урбаног Новог Сада. Петроварадин се током времена и са повећањем броја становника ширио дуж давно утврђених коридора који воде према Тврђави. Многа мања насеља у околини Петроварадина, носе имена који воде порекло од топонима из многих битака које су одигравале на подручју Петроварадина (Татарско брдо, Алибеговац, Везирац…) Петроварадинска трврђава је средином 20. века у потпуности демилитаризована, програшена је историјским спомеником, стављена је под заштиту државе и уступљена за цивилну употребу. На тврђави се налазе Музеј и Архив Новог Сада, хотели и ресторани, атељеи и галерије ликовних уметника, Aкадемија уметности, Планетаријум и многи други садржаји.