Η αρχαία Σάμος (Πυθαγόρειο) εθεωρείτο μία από τις σημαντικότερες πόλεις της αρχαιότητας. Τόσο σε αυτήν όσο και στο χώρο του Ηραίου, τα παλαιότερα αρχαιολογικά ευρήματα χρονολογούνται στην 4η χιλιετία π.Χ. Η περίοδος της ακμής της Σάμου τοποθετείται χρονικά στα μέσα του 6ου αι. π.Χ.
Το νησί ήταν μεγάλη ναυτική δύναμη και απέκτησε εμπορικές σχέσεις με τη γειτονική Μικρά Ασία και τις Μεσογειακές χώρες. Οι Σάμιοι ίδρυσαν αποικίες στην ακτή της Ιωνίας, στη Θράκη και τη Δύση.
Η ευνοϊκή θέση του νησιού στο σταυροδρόμι των θαλάσσιων δρόμων, που συνδέουν την κεντρική Ελλάδα με την Ανατολή και την Αίγυπτο και η γειτνίασή του με τις απέναντι ιωνικές πόλεις, από τις οποίες το χωρίζει ένας πορθμός πλάτους 1500 μ., ο επταστάδιος πορθμός των αρχαίων, έπαιξαν αποφασιστικό ρόλο στην εξέλιξή του.
Η αρχαία Σάμος κατελάμβανε τη θέση της σημερινής πόλης του Πυθαγορείου, όπως αποδεικνύουν τα ανασκαφικά ευρήματα στην περιοχή. Τα ίχνη της πρώτης εγκατάστασης ανθρώπων στην αρχαία πόλη χρονολογούνται από την 5/4η χιλιετία π.Χ., δηλαδή στους νεολιθικούς χρόνους, και εντοπίζονται στο λόφο του Κάστρου.
Κατά τη διάρκεια των μεταναστεύσεων γύρω στο 1100 π.Χ. ΄Ιωνες από την Επιδαυρία φθάνουν στη Σάμο φέρνοντας μαζί τους τη λατρεία της Μητέρας Θεάς ΄Ηρας, ενώ κατά τους γεωμετρικούς αιώνες εξαιτίας των εμπορικών σχέσεων με τις χώρες της Ανατολής και της δυτικής Μεσογείου θα συγκεντρωθούν στο νησί αμύθητα πλούτη, γνώσεις και εμπειρίες που δίνουν ώθηση για εξέλιξη.
Τα ανασκαφικά στοιχεία των τελευταίων ετών αποτελούν αδιάψευστους μάρτυρες του υψηλού επιπέδου πολιτισμού σ’ αυτή την περιοχή κατά τους γεωμετρικούς χρόνους. Με την αποκάλυψη αποθετών στο κέντρο της αρχαίας πόλης αλλά κυρίως της Γεωμετρικής Νεκρόπολης των τύμβων στο νοτιοδυτικό τμήμα της διαπιστώθηκε η μεγάλη ανάπτυξή της από τον 10ο έως και τον 7ο αι. π.Χ.
Μεγάλη ακμή σημείωσε η πόλη και κατά τους αρχαϊκούς χρόνους και συγκεκριμένα κατά την περίοδο της τυραννίας του Πολυκράτη, γιου του Αιάκη.
Στην ίδια εποχή χρονολογείται και η πρώτη φάση οχύρωσης της πόλης με τείχη κτισμένα με το πολυγωνικό σύστημα μήκους 6,5 χλμ., τα οποία μετά την κατάληψη του νησιού από τους Αθηναίους κατεδαφίστηκαν και ξανακτίστηκαν με το ισοδομικό σύστημα γύρω στο 300 π.Χ., όταν οι εξόριστοι Σαμιώτες επέστρεψαν στην πατρίδα τους μετά το 322 π.Χ. με διάταγμα του Μεγάλου Αλεξάνδρου.
Η τελευταία περιορισμένη επισκευή των τειχών έγινε μετά το 200 π.Χ., όταν η Σάμος χρησιμοποιήθηκε ως ναύσταθμος του πτολεμαϊκού στόλου.
Ο αρχιτέκτονας Ροίκος, ο καλλιτέχνης Θεόδωρος, ο γλύπτης Γενέλεως, οι ποιητές Ανακρέων και ΄Ιβυκος, είναι μερικές από τις σημαντικές προσωπικότητες που προσέδωσαν λαμπρότητα στην αυλή του τυράννου. Την ίδια εποχή γεννήθηκε στο νησί η μεγάλη μορφή της φιλοσοφίας και των μαθηματικών ο Πυθαγόρας.
Ο εύκολος τρόπος εξασφάλισης ξυλείας εξαιτίας των πολλών δασών του νησιού συνετέλεσε στην κατασκευή εμπορικών και πολεμικών πλοίων και έκανε τη Σάμο θαλασσοκράτειρα. Εκείνα τα χρόνια ναυπηγήθηκε ενός νέου τύπου πλοίο, η Σάμαινα.
Στις αρχές του 5ου αι. π.Χ. η Σάμος έλαβε μέρος με πλοία στην εξέγερση των ιωνικών πόλεων κατά των Περσών, αλλά αποσύρθηκε πριν την καταστροφική για τους ΄Ιωνες ναυμαχία της Λάδης. Το 478 π.Χ. συμμετείχε στην πρώτη Δηλιακή Συμμαχία και επειδή διέθετε στόλο, δεν πλήρωνε φόρο.
Η ναυτική δύναμή της όμως ανησύχησε τους Αθηναίους, οι οποίοι εκμεταλλευόμενοι τις συγκρούσεις της Σάμου με τη Μίλητο εξαιτίας των κτημάτων της Αναίας, επιτέθηκαν στο νησί και μετά από πολιορκία εννέα μηνών, κατέλαβαν την πόλη το 439 π.Χ. Οι σκληροί όροι, που επιβλήθηκαν, οδήγησαν την πόλη στην καταστροφή.
