Staden grundades av den makedonske generalen Kassandros, 316/5 f.Kr. Den fick sitt namn efter hans fru, Thessaloniki, som var halvsyster till Alexander den store. Under det namnet enades 26 städer som var belägna runt Thermaikosbukten. Under 200talet f.Kr. erövrades staden av romarna och blev säte för den romerska provinsen Makedonien. Det är troligt att den ursprungligen grundades på platsen för antika Thermi, varifrån Thermaikosbukten fick sitt namn.
Under Galerius´ regeringstid var staden en kejserlig huvudstad på grund av dess viktiga lägesstrategi. Galerius byggde ett kejserligt palats, en kapplöpningsbana, en triumfbåge och ett mausoleum i staden. Med färdigställandet av Via Egnatia (120 f.Kr.) blev Thessaloniki den viktigaste knutpunkten mellan öst och väst. Efter uppdelningen av det romerska riket var det en av kandidaterna till att bli huvudstad i det östra romerska riket. Till slut valdes Bysans. Under det bysantinska riket blev Thessaloniki kallad ”samregerande” stad och var ett viktigt administrativt och militärt centrum, samtidigt som det blev ett nav för intellektuell och kulturell utveckling. Kulmen var perioden på 1300-talet e.Kr., som karakteriserades som ”Thessalonikis bysantinska guldålder”.
Efter dess erövring av ottomanerna år 1430 förblev staden en del i det osmanska riket i cirka fem århundraden. Thessaloniki var ett resmål för de judar som fördrevs främst från den iberiska halvön 1492 men även från norra Europa, och därmed bildades en stor judisk församling i staden. Judarnas bosättning i Thessaloniki gjorde staden till en viktig judisk metropol åtminstone fram till början av 1900-talet. Från mitten av 1800-talet förvandlades staden till ett kosmopolitiskt och mångkulturellt centrum i det osmanska riket medan den på grund av sin geopolitiska position var en pol för politiska rörelser och föreningar.
Med sin anslutning till den grekiska staten år 1912 och främst efter Mindre Asien-katastrofen, då flyktingar från Mindre Asien slog sig ner i Thessaloniki och så sätt stärkte det grekiska elementet, samtidigt som ett betydande antal muslimer utbyttes vid befolkningsutbytet med Turkiet, visade stadens befolkning betydande förändringar. Av denna anledning kallades Thessaloniki ”flyktingmoder”. Efter den stora branden 1917 omorganiserades staden i termer av stadsplanering och arkitektur, och utökade sin stil med antika grekiska och europeiska element och förstörde främst osmanska kultplatser.
Under andra världskriget ockuperades Thessaloniki av den tyska makten och förlorade sin starka judiska befolkning. Stadens ytterst kulminerade judiska församling förstördes.
Idag är Thessaloniki den största till storlek och befolkning staden i Makedonien och näst störst i Grekland. Stadens skyddshelgon är S:t Demetrius (280-306 e.Kr.), en av de viktigaste helgonen i den ortodoxa kristna kyrkan, som levde och led martyrdöden i staden under den romerske kejsaren Diocletianus´ regeringstid.
