Nesebar jest jednym z najstarszych miast Europy. Został założony w 1000 r .p.n.e. przez Traków. Początkowo nosił nazwę Mesambria. 500 lat później miasto zostało zamienione w grecką kolonię. Mesambira powoli zaczęła stawać się centrum handlowym i kulturalnym regionu, przez co stała się niezwykle niebezpieczna dla pobliskiego Sozopolu. Miasto miało własny teatr, świątynię boga Apolona, a także miało prawo do bicia własnych monet ze srebra i brązu, a od III wieku p.n.e. również ze złota. Mesambira utrzymywała silne powiązania handlowe z miastami zlokalizowanymi od wybrzeża Morza Czarnego, poprzez Egejskie i Śródziemne. O jej bogatym życiu gospodarczym, kulturalnym i duchowym świadczą liczne znaleziska z tego okresu, prezentowane w Muzeum Archeologicznym.
W 72 roku p.n.e. miasto zostało zdobyte przez Rzymian i zaczęło tracić swoją niezwykle istotną rolę w tej części wybrzeża Morza Czarnego. Dopiero przejęcie miasta we władanie przez Bizancjum, na przełomie VII-VIII wieku spowodowało kolejny, dynamiczny rozwój miasta.
W 812 roku Mesmbria została podbita przez Bułgarów i, już jako Nesebar, włączona w terytorium Pierwszego Państwa Bułgarskiego. Jednakże największy rozwój miasta przypada na okres istnienia Drugiego Bułgarskiego Państwa. Największy natomiast wpływ na wzrost jego potęgi miał Car Iwan Aleksander. Dowodzą temu malowidła, które zachowały się w cerkwiach wybudowanych w XIII i XIV wieku.
Okres panowania Imperium Otomańskiego na półwyspie Bałkańskim, mocno odcisnął się także na wizerunku Nesebaru, który zaczął nabierać coraz więcej cech orientalnego miasta. Domy charakteryzujące się europejską architekturą zaczęły być budowane dopiero w okresie Odrodzenia Narodowego (XIX wiek). Spora ich część zachowała się do dnia dzisiejszego, nadając miastu niepowtarzalny klimat i atmosferę.
Z końcem XIX wieku Nesebar stał się miasteczkiem, którego głównym środkiem utrzymania było rybołówstwo i rolnictwo. Lata 60′ XX wieku, to budowa wielkich resortów wypoczynkowych takich jak Słoneczny Brzeg czy Złote Piaski. Również Nesebar, wykorzystując swoje położenie i warunki geograficzne postawił na rozwój turystyki, która to cały czas rozwija się w mieście i okolicy.
Nesebar w 1956 roku został uznany za architektoniczny i archeologiczny rezerwat, a w 1983 znalazł się na liście Światowego Dziedzictwa UNESCO.