Bugünkü Eskişehir ili, Eski ve Orta çağlarda Yunanca Dorylaion, Latince Dorylaeum ismi ile tanınan bir kentti. Arap kaynaklarında ise şehrin adı Darauliya, Adruliya ve Drusilya olarak verilmiştir. Dorylaion, antik kaynaklarda önemli yolların kavşak noktasında kaplıcaları ile ünlü, ticaret ile zenginliğe kavuşmuş bir Frigya (Phrygia) şehri olarak geçer ve şehrin kurucusu olarak Eretrialı Doryleos gösterilir.
Özellikle Bizans çağında önem kazanan kentte imparator Justinianos'un yazlık sarayının varlığından söz edilir. 19. yüzyılda birçok gezgin ve bilim adamı, bölgeye yaptıklan gezilerin ve araştırmaların sonucunda Eskişehir'in 3 km. kuzeydoğusunda, Porsuk Çayı'nın kuzeyinde yer alan bugünkü adıyla Şarhöyük ören yerinin antik Dorylaion şehri olduğunu saptamışlardır. Burası 17 m. yüksekliğinde, 450 m. çapında Orta Anadolu'nun orta büyüklükteki höyüklerinden biridir. Burada 1989 yılında itibaren Kültür Bakanlığı ve Anadolu Üniversitesi adına Prof, Dr. A. Muhibbe Darga başkanlığında bir ekip tarafından arkeolojik kazılara başlanmıştır. Halen devam etmekte olan kazılarda, höyükte şimdilik Osmanlı Döneminden ilk Tunç Çağı'na kadar geri giden sürekli bir yerleşmenin olduğu saptanmıştır.
Dorylaion - Şarhöyük, Bizans'ın Selçuklulara karşı korunmasında büyük rol oynamış ancak 1176'da Selçuklu Sultanı II. Kılıçaslan'nın Bizans İmparatoru Manuel Komnenos'u mağlup etmesinden sonra kent, Selçukluların egemenliği altına girmiştir. Bundan sonra uzun bir zaman yıkık ve terkedilmiş olan Dorylaion-Şarhöyük'ün yakınında, harabenin güneyinde yeni bir yerleşme kurulmuştur. W. M. Ramsay'in bildirdiğine göre, büyük olasılıkla Dorylaion harabelerine Eskişehir adı verilmiş ve bu ad o zamandan günümüze uzanmıştır.
Tarihi çok eskilere uzanan Eskişehir'in ilk yerleşim noktası şimdiki yerleşimin 6 km. kuzeyindeki Şarhöyük (Dorylain) dur. Eski yerleşimindeki harabelerden dolayı şehre "Eskişehir" adı verilmiştir. Yapılan arkeolojik çalışmalar sonucu çıkan eserlerin verdiği bilgilerden, Eskişehir ve yöresinin Neolitik çağa kadar (İ.Ö. 10.000 - 5.000 yılları) uzanan bir yerleşim bölgesi olduğu anlaşılmıştır. Demircihöyük, Keçiçayırı Höyüğü, Kalkanlı Höyüğü, Orman Fidanlığı, Küllüoba gibi yerleşim merkezleri hayli yoğun kitleler halinde yerleşim görmüştür. Daha sonraları Hittiler döneminde Şarhöyük (Dorylaion) İmparatorluğun batıdaki en önemli uç noktası olmuştur. İ.Ö. 1200'lerde Friglerin bölgeye yerleşmesi ile çoğalmaları ve diğer halklarla karışmaları sonucu üstün bir Frig uygarlığı yaratılmıştır. İ.Ö. 695 yılında Kimmerlerin istilası ile yıkılan Friglerden sonra şehir Lidyalıların, M.Ö. 546 yılında da Perslerin hakimiyetine girmiştir.
M.Ö. 334 yılında İskender'in eline geçen Eskişehir, İskender'in ölüm tarihi olan M.Ö. 323 yılana kadar Hellenizm dönemini yaşamıştır. Greklerin, Anadolu'ya bu devirde kitleler halinde gelip yerleştikleri, tarihi belgelerden anlaşılmıştır.
M.Ö. 190'larda Romalıların eline geçen Eskişehir, Roma'nın M.S. 395'de ikiye bölünmesine kadar Roma İmparatorluğu'nun sonra da Doğu Roma İmparatorluğu'nun (Bizans) idaresinde kalmıştır.
Büyük Selçuklu İmparatorluğu zamanında doğudan gelen Türk Boyları, Bizans'ın zayıflığından da istifade ederek Doğu Anadolu'ya yerleşmeye başlamıştır. Selçuklu Hükümdarı Alparslan'ın 1071'de Malazgirt Savaşını kazanmasından sonra Türklere bütün Anadolu kapıları açılmış, süratle ilerleyen Türk orduları 1074'de Eskişehir'i almıştır. Bundan sonra Eskişehir, doğudan devamlı gelen boylar için bir yerleşme noktası olmuştur. İnönü İlçesindeki Çarşı Camii'nin yapım yılı 1074'tür.
Sonraları Eskişehir Anadolu SelçukluDevleti ile Haçlılar arasında yapılan kanlı savaşalara sahne olmuştur. Eskişehir Anadolu Selçukllu Devleti'nin kuruluşundan yıkılışına kadar bir selçuklu şehri olarak kaldığı halde, bu savaşlar nedeniyle fazla selçuklu eseri yapılamamıştır. Anadolu Selçuklu Devleti'nin eserleri, o devirde uzun süre uç beyliğin merkezi olan Sivrihisar'da görülür. Osmanlı Devletinin Kurucusu Osman Bey, 1284 yılında Anadolu Selçuklu Sultanı Mesut tarafından gönderilen fermanla aşiret reisliğinden çıkarak uç beyi olmuştur. Osman Bey, uç beyi olduktan sonra, gün geçtikçe kuvvetlenmiş ve 1289 yılında hakimiyet sahasına Eskişehir ve İnönü'yü de katmıştır. Osmanlıların ilk zamanlarında, devletin kurulu merkezlerinden birisi olması sebebiyle Eskişehir'e yakın ilgi gösterilmişse de Duraklama ve Gerileme devirlerinde pek ilgi gösterilememiştir. Bu nedenle Eskişehir yakın zamana kadar gelişememiştir. Şehir ancak 1877-1878 Osmanlı - Rus harbinden sonra muhacirlerin yerleştirilmeye başlamasıyla beraber gelişmeye başlamıştır.
Bugün Türkiye'nin sayılı merkezlerinden olan Eskişehir, Fatih'in ilk zamanlarına kadar Ankara Beyliğine bağlı olarak kalmıştır. 1451 yılından sonra Kütahya'nın Beylerbeylik haline gelmesi üzerine Anadolu İdari Teşkilatında değişiklik olmuş; bu arada Ankara'ya bağlı bulunan Eskişehir, Kütahya Beylerbeyliği'ne bağlanmıştır.