L'origine del nome, Pisa, è un mistero. Sebbene l'origine della città fosse rimasta sconosciuta per secoli, come fondatori della città erano stati variamente proposti i Pelasgi, i Greci, gli Etruschi e i Liguri (ad esempio, una colonia dell'antica città di Pisa, in Grecia). Resti archeologici del V secolo aC confermano l'esistenza di una città sul mare, che commerciava con Greci e Galli. La presenza di una necropoli etrusca, scoperta durante gli scavi nell'Arena Garibaldi nel 1991, ha confermato le sue origini etrusche.
Gli autori dell'antica Roma si riferivano a Pisa come ad una città antica. Strabone fa risalire le origini di Pisa al mitico Nestore, re di Pilo, dopo la caduta di Troia. Virgilio, nella sua Eneide, afferma che Pisa era già un grande centro ai tempi descritti; ai coloni provenienti dalla costa d'Alfeo viene attribuita la fondazione della città nelle 'terre etrusche'. Il commentatore virgiliano Servio scrive che i Teuti, o Pelope, re dei Pisai, fondarono la città tredici secoli prima dell'inizio dell'era volgare.
Il ruolo marittimo di Pisa avrebbe dovuto essere già di rilievo se le antiche autorità le attribuivano l'invenzione dell'ariete navale. Pisa approfittò del fatto di essere l'unico porto lungo la costa occidentale da Genova (allora un piccolo villaggio) a Ostia. Pisa servì come base per le spedizioni navali romane contro Liguri, Galli e Cartaginesi. Nel 180 a.C. divenne colonia romana sotto il diritto romano, come Portus Pisanus. Nell'89 aC Portus Pisanus divenne municipium. L'imperatore Augusto fortificò la colonia trasformandola in un importante porto e ne cambiò il nome in Colonia Iulia obsequens.
Si suppone che Pisa sia stata fondata sulla riva. Tuttavia, a causa dei sedimenti alluvionali dell'Arno e del Serchio, la cui foce si trova a circa 11 chilometri (7 miglia) a nord dell'Arno, la riva si spostò verso ovest. Strabone afferma che la città era a 4,0 chilometri (2,5 miglia) dalla costa. Attualmente si trova a 9,7 chilometri (6 miglia) dalla costa. Era però una città marittima, con le navi che risalivano l'Arno. Negli anni '90 d.C. in città fu costruito un complesso termale.