Le nom de Neuchâtel semble apparaître pour la première fois en 1011 dans un acte de donation de Rodolphe III de Bourgogne. Mais les vestiges archéologiques trouvés au bord du lac de Neuchâtel montrent que l'homme a foulé ce sol depuis la Préhistoire. Durant le deuxième millénaire, l'histoire de ce bout de terre est intimement liée à l'histoire de l'Europe. Le territoire appartient tour à tour aux Bourguignons puis aux Prussiens. En 1815, encore sujets du roi de Prusse, les Neuchâtelois rejoignent la Confédération suisse et obtiennent finalement leur indépendance à la suite de la révolution de 1848.
Préhistoire
Paléolithique Entre -70 000 et -35 000, des traces de l'Homme de Néandertal ont été trouvées dans au moins deux grottes du canton : celle de Cotencher à Rochefort et celle des Plaints près de Couvet. Un Homme de Cro-Magnon datant d'environ - a également été trouvé dans la grotte du Bichon près de La Chaux-de-Fonds. Ce dernier a peut-être été victime d'un accident de chasse, blessé mortellement par un ours.
Mésolithique En 1926, un douanier a découvert un abri sous roche près du Locle où des Hommes vivaient pendant le Mésolithique. Paul Vouga a entrepris des fouilles dans cette station vers 1928. À cette période, les hommes semblaient fabriquer des objets de petites dimensions en silex. Ils vivaient dans des abris le long de la chaîne jurassienne ou dans des campements sur le plateau. Ils vivaient de cueillette, chasse et pêche. Des hommes ayant un mode de vie similaire vivent alors le long du Doubs, aux Brenets.
Néolithique
Culture de Cortaillod et Néolithique lacustre
De -4500 à -3500, les terres neuchâteloises sont habitées par la civilisation de Cortaillod venant du bassin méditerranéen et dont les hommes commençaient à construire des villages. Les archéologues ont retrouvé des foyers et des objets datant du Ve millénaire avant notre ère à Bevaix et à Saint-Aubin. Les premiers villages connus, signent de sédentarisation, datent du début du IVe millénaire. On peut également observer des menhirs entre Saint-Aubin et Vaumarcus, ainsi que des cupules et des dolmens, témoins de riches pratiques religieuses. À la civilisation de Cortaillod succèdent celles de Horgen, de Lüscherz et d'Auvernier. Les habitants de cette longue période qui va des premiers villages vers -3900 au début du campaniforme vers -2400, résident souvent à proximité du lac, mais n'habitent pas sur des plateformes lacustres comme l'imagerie traditionnelles pourraient le laisser penser. Ils habitent de longues maisons rectangulaires en bois, se déplacent souvent en pirogues, chassent, pêchent, pratiquent la cueillette, cultivent des céréales et travaillent des matériaux tels que l'argile, la pierre ou l'os. De nombreux villages de cette période sont connus sur les sites actuels de Auvernier, Bevaix, Colombier, Hauterive, Le Landeron, Marin-Épagnier Neuchâtel, Saint-Aubin, Saint-Blaise, Thielle-Wavre et Vaumarcus.
Campaniforme Le campaniforme, qui commence vers -2400 et qui dure jusque vers -1700, correspond à l'âge du cuivre. Les sites du Néolithique lacustre sont progressivement abandonnés jusqu'en -1900. Seuls peu de sites datant du campaniforme ont été retrouvés par les archéologues, à Cortaillod et à Saint-Blaise.
Âge du bronze Le travail du bronze commence au nord des Alpes à la transition entre le IIIe et le IIe millénaire avant notre ère. Les premières traces de l'utilisation de cet alliage dans le territoire de l'actuel canton de Neuchâtel datent de -1700 environ, marquant le début de l'âge du bronze dans la région. Des tombes du IIe millénaire ont notamment été retrouvées au-dessus de Cressier et à Coffrane.
Entre -1050 et -850, les sites situés sur les rives du lac de Neuchâtel, qui avaient été abandonnés un millénaire plus tôt, sont à nouveau occupés. Des villages se forment vers les sites actuels de Hauterive (site de Hauterive-Champréveyres), Bevaix, Cortaillod et Auvernier. Ceux-ci comptaient jusqu'à 300 habitants et étaient entourés de palissades en bois. Les pilotis sont les vestiges restant des maisons de ces villages. Ils peuvent être observés par photographies aériennes, puis des fouilles sont effectuées par des plongeurs. Des milliers d'objets datant de cette époque ont été retrouvés. La fin de cette civilisation est probablement due à une montée du niveau du lac en raison de changements climatiques.
Âge du fer
Premier âge du fer
Des habitations, appartenant désormais à la culture de Hallstatt, c'est-à-dire au premier âge du fer, sont à nouveau connues un à deux siècles après la fin de l'âge du bronze. Elles se trouvent plus haut en altitude que les sites lacustres de l'âge du bronze. Des sépultures ont été retrouvées à La Béroche, dans l'Entre-deux-Lacs, au-dessus de Neuchâtel et au Val-de-Ruz.
Second âge du fer
Des découvertes archéologiques exceptionnelles ont été faites lors de la période surnommée de la «fièvre lacustre» puis lors de la correction des eaux du Jura (1868 - 1878), notamment sur le site de La Tène. Elles ont donné au second âge du fer le nom de La Tène (d'environ -450 à -15), une civilisation associée aux Celtes. Des milliers d'objets provenant de cette civilisation été retrouvés dans le canton de Neuchâtel depuis les premières fouilles en 1857. Des sacrifices et des offrandes ont lieu sur le site de La Tène, où s'élève un pont sur la Thièle daté de 660 av. notre ère environ. Un autre pont se trouve près de Cornaux, tandis qu'un oppidum est construit en face de La Tène, sur le Mont Vully.
Antiquité Les Helvètes se sont installés sur le plateau suisse et donc également dans le bas et les vallées du canton de Neuchâtel au av. J.-C.. Les montagnes neuchâteloises n'étaient en revanche probablement pas habitées à l'année. Après l'échec de leur migration vers l'Aquitaine en 58 av. J.-C., ils doivent accepter la présence de colonies romaines (Nyon et Augst), puis d'un camp de légionnaire (Windisch) sur leur territoire. Des villas sont alors bâties sur différents points du territoire et ce sont les vestiges de ces établissements qui permettent de se faire une idée de l'occupation du territoire dans le canton de Neuchâtel à cette époque. L'emplacement de plusieurs dizaines de villas (notamment à Colombier, Saint-Blaise, au Landeron et à Chézard) a pu être déterminé et semble avoir joué un rôle important dans l'occupation actuelle du territoire.
Quelques sites archéologiques datant de la période romaine - également appelée helvéto-romaine - ont ainsi été mis au jour dans la région neuchâteloise. Des vestiges existent sur le littoral, le plateau de Lignières ainsi que dans le Val-de-Ruz. Une des grandes propriétés de la période romaine connues en Suisse, s'étendant sur 5000 m2, se trouve à Colombier sous le château actuel, non loin du principal point de franchissement de l'Areuse. Les restes d'un temple probablement dédié à Mars ont été retrouvés au-dessus de Cressier, non loin des deux ponts romains qui se trouvaient sur la Thièle, dans l'actuelle commune de La Tène. La Vy d'Etraz, une route romaine, traversait le littoral d'est en ouest et permettait notamment de rejoindre les ports sur le Rhin. Elle peut encore être observée par endroits, comme à Saint-Blaise.
Au , une période de paix, le canton de Neuchâtel semble bien intégré dans les échanges commerciaux avec d'autres régions de Suisse actuelle. Les carrières neuchâteloises fournissent ainsi des pierres pour la construction de l'enceinte d'Avenches, capitale de l'Helvétie romaine. En plus de la Vy d'Etraz mentionnée précédemment, le Val-de-Travers permettait de rejoindre la voie fluviale Saône-Rhône. En 212, les habitants d'Helvétie, du moins ceux qui sont libres, deviennent citoyens romains.
Vers le , l'Empire romain commence à perdre de sa puissance et à céder sous la pression des peuples germaniques. Le développement de l'actuel canton de Neuchâtel s'arrête ainsi vers le milieu du siècle, à peu près au moment où Augst et Avenches sont pillées. En l'an 401, les Romains se retirent de la frontière le long du Rhin pour ne défendre plus que le Sud des Alpes. Ils établissent alors une série de camps et de fortifications, dont une peut-être à l'endroit où a ensuite été construit le château de Rochefort. En 443, une vaste région comprenant le canton de Neuchâtel est place par l'Empire romain sous la protection des Burgondes. Ces derniers ne représentent toutefois pas plus de 10% de la population et n'imposent pas leur langue, même si des traces subsistent dans certains toponymes (Fresens par exemple). Il reste des traces des Burgondes près de Serrières datant environ du .
Neuchâtel au Haut Moyen Âge
Christianisation Le christianisme, déclaré religion d'État en 380, s'impose rapidement dans l'actuelle Suisse romande. Le territoire neuchâtelois dépendant de l'évêché de Windisch dont le siège est déplacé à Lausanne vers l'an 500. Les premiers lieux de culte sont construits le long des voies de communication, à l'emplacement des établissements préexistants. Au moins sept d'entre eux ont été fondés avant l'an mille : Bevaix, Cressier, Dombresson, Engollon, Môtiers, Saint-Martin et Serrières. Plusieurs autres s'ajoutent probablement à cette liste, sans qu'il ait encore été possible de le prouver. Les églises deviennent rapidement le centre de paroisses, qui a leur tour donneront naissances aux communes. Si les paroisses sont rapidement nombreuses sur le littoral neuchâtelois, celles du Val-de-Travers et du Val-de-Ruz sont d'abord très grandes et ce n'est que plusieurs siècles plus tard qu'elles sont subdivisées en des paroisses plus petites. Les montagnes neuchâteloises n'auront elles pas de lieu de culte avant le .
Le Prieuré Saint-Pierre de Môtiers est probablement le plus ancien monastère du canton. Un lieu de culte a peut-être existé à son emplacement dès le , au plus tard au . Dédié à Saint-Pierre, il pourrait avoir été fondé par un propriétaire terrien. Il n'est pas complètement sûr que le lieu de culte ait été le siège d'un monastère dès sa fondation, mais la présence d'un tel établissement semble en tout cas attestée dès le . L'ancienneté du Prieuré se reflète dans l'étendue de sa dotation territoriale, aussi bien dans le canton de Neuchâtel que dans le nord de l'actuel canton de Vaud. Les plus grandes paroisses du Val-de-Travers et du Val-de-Ruz, celles de Môtiers et d'Engollon, dépendent alors du Prieuré. Ce dernier a probablement à son tour dépendu un temps du royaume de Bourgogne, avant de passer en 1178 sous la protection de l'Empereur Frédéric Barberousse, une mesure destinée probablement à freiner les appétits territoriaux des comtes de Bourgogne.
Domination bourguignonne Au , la région neuchâteloise passe sous la domination du royaume de Neustrie et de Bourgogne et est rattachée au Pagus ultrajuranus. Après avoir été intégrée à l'Empire carolingien, la région est rattachée au royaume de Bourgogne lorsque Rodolphe devient roi en 888. Au sein de ce royaume, le territoire actuel du canton de Neuchâtel était rattaché au comté de Vaud jusqu'à l'Areuse et au comté de Bargen au-delà. Des vicairies sont établies à Nugerol, Travers, Yverdon et à Saules, au Val-de-Ruz. L'administration des territoires s'appuie alors à la fois sur l'église, sur des points d'appuis militaires et sur les propriétaires terriens.
Si la plupart de ces vicairies ont une importance locale, voir régionale pour Nugerol, Colombier a un statut particulier. Elle semble en effet avoir abrité une résidence d'un fonctionnaire ou d'un proche du roi de Bourgogne, peut-être issu de la famille des Sigiboldides. Elle a probablement été le chef-lieu d'une province royale, avant que ce rôle ne revienne à Neuchâtel peu après l'an mil. Preuve de l'importance du lieu, c'est là que s'est déroulé en 937 le double mariage de Berthe de Souabe et de sa fille Adelaïde de Bourgogne avec les rois d'Italie Hugues et Lothaire.