A origem do nome Pisa é um mistério. Embora a origem da cidade tenha permanecido desconhecida por séculos, os pelagianos, os gregos, os etruscos e os lígures foram propostos como fundadores da cidade (por exemplo, uma colônia da antiga cidade de Pisa, na Grécia). Vestígios arqueológicos do século V a.C. confirmaram a existência de uma cidade à beira-mar, que comercializava com gregos e gauleses. A presença de uma necrópole etrusca, descoberta durante escavações na Arena Garibaldi em 1991, confirmou suas origens etruscas.
Autores romanos antigos referiam-se a Pisa como uma cidade antiga. Estrabão atribuiu as origens de Pisa ao mítico Nestor, rei de Pilos, após a queda de Troia. Virgílio, em sua Eneida, afirma que Pisa já era um grande centro na época descrita; os colonos da costa de Alfeu são creditados com a fundação da cidade nas "terras etruscas". O comentarista virgiliano Sérvio escreveu que os teutos, ou Pélopes, rei dos pisanos, fundaram a cidade treze séculos antes do início da era cristã.
O papel marítimo de Pisa já deveria ter sido proeminente se as autoridades antigas lhe atribuíssem a invenção do aríete naval. Pisa aproveitou a vantagem de ser o único porto ao longo da costa ocidental, de Gênova (então uma pequena vila) a Óstia. Pisa serviu como base para expedições navais romanas contra lígures, gauleses e cartagineses. Em 180 a.C., tornou-se uma colônia romana sob o direito romano, como Portus Pisanus. Em 89 a.C., Portus Pisanus tornou-se um município. O Imperador Augusto fortificou a colônia, transformando-a em um importante porto e mudou seu nome para Colonia Iulia Obsequens.
Supõe-se que Pisa tenha sido fundada na costa. No entanto, devido aos sedimentos aluviais do Arno e do Serchio, cuja foz fica a cerca de 11 quilômetros (7 milhas) ao norte do Arno, a costa se deslocou para oeste. Estrabão afirma que a cidade ficava a 4,0 quilômetros (2,5 milhas) da costa. Atualmente, está localizada a 9,7 quilômetros (6 milhas) da costa. No entanto, era uma cidade marítima, com navios navegando pelo Arno. Na década de 90 d.C., um complexo de termas foi construído na cidade.