Au Moyen-âge, Neuilly-sur-Seine permet de traverser la Seine à gué dans un environnement marécageux. Le village de Villiers-la-Garenne recouvre le territoire de la ville telle que nous la connaissons ainsi qu’une partie de Levallois-Perret, le quartier des Ternes et une fraction du bois de Boulogne. En 1906, Henri IV et Marie de Médicis manquent de trouver la mort lors du renversement de leur carrosse au bac de Neuilly. A la suite, un premier pont en bois est construit, dans l’alignement de la rue du Pont. En 1772, un pont de pierre est érigé à l’emplacement du « Pont de Neuilly » actuel. Il sera remplacé en 1942 par un pont métallique.
La commune de Neuilly est créée en 1790 à la suite de la Révolution française. La rue de l’Ecole de Mars est un « vestige » de cette époque : inaugurée en juin 1794 afin de transmettre une rude éducation militaire à 3000 jeunes de 16 à 17 ans, elle est dissoute en octobre de la même année à la chute de Robespierre. Le château de Neuilly construit à partir de 1751 devient la résidence du roi Louis-Philippe de 1830 à 1848. Il fut incendié et pillé en 1848, il n’en reste qu’une aile située au 52 boulevard d’Argenson. A la suite, le domaine est revendu par lots pour construire des immeubles haussmanniens. De nombreuses rues de la ville (rue Louis-Philippe, rue d’Orléans, rue de Chartres, …) commémorent les liens de la ville avec la famille d’Orléans.
En 1859, la construction de l’enceinte de Thiers entraine l’annexion par Paris du quartier des Ternes. En 1866, la commune de Levallois-Perret est créée avec l’annexion du quartier de Villiers. Enfin, en 1929, la commune de Neuilly-sur-Seine cède à la ville de Paris sa part du Bois de Boulogne. Les combats de la Commune ravagent une grande partie des habitations. A la suite, de nombreux bâtiments sont édifiés : l’hôtel de ville actuel est inauguré en 1886 alors que l’édification de l’église Saint Pierre démarre en 1883 pour se terminer à l’aube de la première guerre mondiale. C’est à cette époque que la commune voit l’émergence d’une activité en pleine croissance : la parfumerie. La parfumerie Rigaud rue des Huissiers et la parfumerie Delettrez avenue du Roule sont des marqueurs de cette naissance.
La crue de 1910 inonde la ville comme la plupart des villes voisines. En 1936, le prolongement de la ligne 1 jusqu’à Pont de Neuilly entraine l’élargissement de l’avenue de Neuilly. En 1992, le tunnel de l’avenue Charles de Gaulle est inauguré (enfouissement d’une partie de la RN13), des jardins et des fontaines sont alors aménagés en surface. En 1993, la prise d’otage de l’école maternelle Charcot par un chômeur dépressif fait la une de l’actualité nationale : les enfants et l’institutrice sont retenus deux jours avant d’être libérés sans victime en dehors du preneur d’otages.