La cittadina sorge sulle pendici settentrionali dei Monti Tiburtini, a sinistra dell'Aniene, nel punto dove il fiume, con una serie di cascate, salta un dislivello piuttosto ripido e scorre giù nella campagna romana. Situata in una posizione così alta e strategica, Tivoli domina tutta la parte orientale della pianura del Lazio.
L' abitato antico, che conserva ancora parte delle mura originarie, si sviluppa nella parte più alta della città, intorno alle grandi Ville d'Este e Gregoriana, mentre la parte più recente e moderna si è andata formando nel territorio a valle. Reperti archeologici di una certa consistenza, e fra questi la 'Grotta Polesini', attestano la presenza di insediamenti umani nel territorio a partire dal Paleolitico superiore e per tutta l'Età del Bronzo. Una necropoli emersa sull'altipiano, e databile tra l'inizio del IX e la fine del VII secolo a.c., insieme ad alcuni resti di capanne, sembrerebbero far individuare nell'Età del Ferro la fase più antica del territorio tiburtino, quella che precedette gli insediamenti urbani.
Leggendarie sono le origini di Tivoli, dal latino Tibur, che deriva dalla voce sabina teiba o teba, «colle, luogo elevato». La città, che inizialmente non faceva parte della Lega Latina, vi aderì verso la fine del VI secolo e fu battuta, insieme alle altre città confederate, nella battaglia del Lago Regillo (496 a.c.). Sciolta la Lega Latina per volere di Roma, anche i Tiburtini entrarono a far parte del foedus Cassianum, la nuova alleanza dominata dall'Urbe, e ottennero la cittadinanza romana.
Anche in seguiro furono numerosi e violenti gli scontri tra Roma e Tibur, che si conclusero tra il 340 e il 338 a.c. con l'egemonia di Roma sull'intero Lazio.
La cittadina perse la propria indipendenza, ma conservò una certa autonomia. Infatti nel 311 a.c., secondo alcune fonti storiche, i censori impedirono la partecipazione ai banchetti sacri nel Tempio di Giove ai tibicines romani, i flautisti che accompagnavano i sacrifici, i funerali e le nozze. I flautisti di fronte al diniego dei censori di ammetterli al banchetto decisero di organizzare una vera e propria serrata e di ritirarsi a Tivoli. I senatori cercarono di intervenire sugli abitanti di Tivoli perché persuadessero i tibicines a riprendere le loro attività e i Tiburtini ricorsero a un astuto stratagemma: fecero ubriacare i flautisti e li ricondussero a Roma. Da quel momento Tibur conseguì un grande prestigio davanti ai Romani. A Tivoli e nei dintorni furono edificate numerose ville da illustri cittadini romani, tra cui Sallustio, Catullo, Properzio, Cesare, Antonio, Bruto. La città era un famoso luogo di villeggiatura e Adriano nel II secolo vi edificò la sua bellissima Villa, di cui si possono ammirare ancora oggi i magnifici resti.
Dopo la caduta dell'Impero Romano, e sotto il dominio di Teodorico e degli Ostrogoti, gli abitanti di Tivoli si adattarono a vivere con gli invasori, ma nel 535, durante la Guerra greco-gotica, la città fu saccheggiata e gli abitanti vennero massacrati. Successivamente i Bizantini fecero di Tivoli un Ducato e i papi la eressero a centro amministrativo dei territori sabinense e carseolano di San Pietro. Minacciata dai Longobardi di Astolfo, la città fu assoggettata dall'imperatore Ottone III; nel 1142 Innocenzo II la assediò per oltre un mese, senza riuscire a conquistarla.
Nel 1153 un accordo con Federico Barbarossa fu positivo per Tivoli e produsse una serie di lavori di abbellimento e fortificazione. Tra tentativi di emanciparsi da Roma e lotte strenue per resistere al potere pontificio, le spinte autonomistiche tiburtine proseguirono finché papa Adriano VI sottrasse Tivoli alla giurisdizione del Senato romano. Nel 1550 Giulio III nominò governatore di Tivoli Ippolito II d'Este, figlio di Alfonso I e Lucrezia Borgia.
Con l'amministrazione napoleonica, all'inizio del XIX secolo, Tivoli divenne capoluogo di tutto il territorio comprendente 52 Comuni. Dal 1831 fu sede di un governo distrettuale. Durante le vicende della Repubblica Romana del 1849, Garibaldi sostò per ben due volte nella città: la prima per organizzare la spedizione a Palestrina e a Velletri al fine di bloccare l'esercito borbonico che minacciava la Repubblica, la seconda, dopo la caduta della Repubblica Romana, quando cominciò la memorabile fuga che lo condusse fino in Romagna. Nel 1870 Tivoli aderì al Regno d'Italia con un plebiscito. Per tutto il corso del XX secolo la città ha registrato un aumento demografico costante, che ha determinato un' espansione edilizia così estesa da causare una profonda trasformazione del suo assetto urbanistico.

Tra le numerose Chiese di Tivoli, sono da ricordare specialmente San Silvestro, del XII secolo, la Basilica della Carità (XI-XII sec), Santa Maria Maggiore, con portale goticheggiante di Angelo di Tivoli e campanile del 1602 e, soprattutto, la Cattedrale di San Lorenzo, il cui primo nucleo risale al VI secolo c(on un bel campanile romanico del XII secolo, ristrutturato nel 1635) che conserva all'interno il gruppo scultoreo della Deposizione, degli inizi del secolo. Il maggior monumento del XV secolo è la Rocca Pia, innalzata da Pio II. Affreschi di un seguace di Antoniazzo Romano si possono ammirare nella Chiesa di San Giovanni evangelista.
Fra le molte dimore del Rinascimento, notevole è il Palazzo Croce, del 1583 circa, con ninfeo, rivestimenti a stucchi e mosaico. La Villa d'Este, celebre per il magnifico giardino animato di bellissime fontane fu costruita per il cardinale Ippolito II d'Este nella seconda meta del XVI secolo da Pirro Logorio. La Villa Gregoriana, in gran parte ottocentesca, è uno splendido parco naturale con cascate, grotte e dirupi.
Fuori della città vi sono resti di ville romane e di tombe. Villa Adriana, lo straordinario complesso archeologico fatto edificare da Adriano tra 117 e il 138, situata a sud-ovest della città, costituisce insieme a Villa d'Este uno dei siti più visitati al mondo: entrambe sono state inserite dall'UNESCO nella Lista del Patrimonio dell'Umanità. Si ricorda anche il cosiddetto 'Tempio della Tosse', tomba romana trasformata in chiesa, con affreschi datati al X secolo.
Nella pianura compresa nel Comune di Tivoli vengono intensamente sfruttate le cave di travertino, attorno alle quali sono sorti due importanti nuclei urbani, Villa Adriana e Tivoli Terme. Importanti gli stabilimenti termali di Tivoli Terme che, con le testimonianze storico-artistiche della città, alimentano un considerevole flusso di visitatori.