La Provincia di Pisa confina a nord con la Provincia di Lucca, mentre il confine dell'est si divide tra le Province Firenze e Siena. Il confine del versante sud-ovest viene occupato della Provincia di Livorno ed infine il confine sud-est della Provincia di Grosseto.

Dal V sec.a.C. Pisa fu un insediamento Etrusco direttamente sul mare. Nel II sec.a.C. seguirono i Romani che costruirono il Portus Pisanus, diventando un'importante base navale. A parte degli sarcofaghi e le ruine delle terme, non si vede quasi più niente dell'Impero Romano. Dopo il decadimento dei Romani, Pisa fu anche per i Goti, Langobardi ed i Carolingi una città portuale di gran importanza per i combattimenti contro i Saraceni. I Pisani conquistarono successivamente la Sardegna, Reggio Calabria, Palermo, le Isole Lipari, Cartagine e nel XII le isole Baleari. I combattimenti con i Saraceni durarono a lungo e così Pisa potette svilupparsi, diventando nel XI secolo una delle quattro Repubbliche Marinare Italiane (Genova, Venezia, Pisa, Amalfi) più potenti. Con l'oro dei Saraceni finanziarono la costruzione del Duomo. In quel periodo iniziò anche la storia per cui la città di Pisa attrarre visitatori di tutto il mondo: la costruzione del campanile della cattedrale, conosciuto sotto la Torre di Pisa. 

Tutti i monumenti della piazza furono costruiti rigorosamente con il marmo bianco di Carrara. Arrivati dopo sei anni di costruzione al terzo piano, l'architetto Bonanno Pisano fermò i lavori, perché un cedimento di terreno fece inclinare la torre. Oggi si pensa che non solo le condizioni del terreno, ma anche il peso della torre stessa che secondo calcoli recenti, da parte di tecnici, avrebbe un peso come oltre mille autotreni e questo su una superficie così piccola. La ricchezza acquisita permise a Pisa di fondare colonie nel Nordafrica, nella Spagna meridionale e sulla costa meridionale dell'Asia Minore. 

Particolarmente dall'Asia Minore arrivarono delle forme artistiche e scienze naturali nuove che portarono alla rinnovazione del vecchio stile langobardo, facendo nascere lo Stile Pisano-Romano. Pisa si mise sulla parte dei Ghibellini e ottenne da Federico I Barbarossa la concessione sull'area costiera da Portovenere fino a Civitavecchia, nonché i diritti feudali su Napoli, Amalfi, Salerno, la Calabria e la Sicilia.  Ci furono sempre litigi con il vicino Lucca, Genova e Firenze. Lucca e Firenze, ambedue nelle mani dei Guelfi si unirono contro Pisa. Alla fine del XIII secolo, un altro architetto, Giovanni di Simone, riprende, novant'anni dopo l'abbandono dei lavori del campanile pendente i lavori in mano, cercando di correggere l'inclinazione. 

Nel 1284, Pisa perse la battaglia della Meloria contro i Genovesi e con essa quasi tutta la flotta. Per poter vincere la battaglia si servirono di un trucco: i genovesi entrarono con 60 navi nel Porto di Pisa. Altre 40 navi genovesi invece, furono nascosti in una baia vicina, sotto il Montenero. I Pisani, sicuri di vincere presero 102 navi. Improvvisamente arrivarono le altre 40 navi nascoste ed il colpo d'effetto sorpresa fece perdere la flotta pisana. 
Quest'avvenimento portò al decadimento della città, il che significò anche problemi finanziari per la costruzione della torre. Nonostante ciò, fu terminata nel 1350 con il settimo piano, raggiungendo un'altezza di 56 m. In quel periodo la città portuale di Pisa a causa dell'accumulazione di detriti del fiume Arno, fu già a circa 8 km di distanza dal mare. All'inizio del XV secolo Pisa fu nuovamente sconfitta, ma questa volta dai Fiorentini. Solo sotto i Medici riuscì nuovamente a rifiorire. Nel 1472 essi ricostituirono nuovamente l'università in via di declino.

Pisa è anche la città natale di Galileo Galilei, astronomo, fisico, matematico e fondatore del metodo sperimentale. Già nel 1583 scoprì la "legge dell'isocronsimo del pendolo" e inventò anche la bilancia idrostatica. Sette anni dopo fu professore di matematica all'università di Padova ove perfezionò il cannocchiale con cui vide la superficie della luna, la costituzione della via lattea, le fasi di Venere, la rotazione del sole attorno alla propria asse, nonché i quattro satelliti di Giove. Dopo la morte dell'ultimo dei medici, il governo mediceo passò a quello dei Lorena. I bombardamenti della Seconda Guerra Mondiale distrussero una gran parte del Camposantro, chiese e palazzi.