Im 12. Jahrhundert wurde am Øresund eine Burg errichtet, die den kleinen Handelshafen Amager an der Fischersiedlung Havn ("Hafen") sichern sollte. Nicht zuletzt die günstige Lage ungefähr halbwegs zwischen dem wichtigen Bischofssitz in Roskilde und dem skandinavischen Erzbischofssitz in Lund (damals dänisch) war von entscheidender Bedeutung. Entsprechend erhielt auch die mit der Burg neu gestaltete Siedlung den Namen Køpmannæhafn ("Kaufmännerhafen"). 1254 erhielt das junge Kopenhagen von Bischof Jakob Erlandsen sein erstes Stadtrecht, allerdings wurde die Stadt in den Jahren 1362 und 1368 als unliebsamer Konkurrent der Hanse zusammen mit der Burg geplündert und zerstört. Nach einem erneuten Angriff der Hanse war der Hafen 1428 eine Zeitlang von Schiffwracks blockiert. Die Entwicklung ließ sich jedoch nicht mehr aufhalten: 1416 wurde die wiederaufgebaute Stadt Residenz des Königs, und 1443 übernahm sie von Roskilde die Hauptstadtfunktion. In der ersten Hälfte des 17. Jahrhunderts blühte Kopenhagen unter Christian IV. auf.

Kopenhagen erlebte in seiner Geschichte immer wieder Katastrophen, Seuchen und Kriege. Von 1658 bis 1659 hielt die Stadt einer Belagerung stand, während das übrige Dänemark von den Schweden vollständig besetzt war. Im 18. Jahrhundert starb nach Pest und Seuchen ein Drittel der Stadtbewohner. 1728 sowie 1795 wüteten zwei Stadtbrände. Der Wiederaufbau führte zur heutigen, vom Baustil des 18. Jahrhunderts geprägten Altstadt. Bei den Seeschlachten von Kopenhagen 1801 sowie 1807 beschossen die Engländer die Hauptstadt Dänemarks, da es sich nicht auf die Seite Englands in dessen Krieg gegen Frankreich stellen wollte, und richteten vor allem durch den im zweiten Angriff ausgelösten Großbrand erheblichen Schaden an. Nach dem Sieg der Engländer musste Kopenhagen sämtliche hier ankernden Schiffe ausliefern und konnte sich erst nach Jahrzehnten wieder von dieser Niederlage erholen. 1848 zwangen öffentliche Demonstrationen in Kopenhagen König Frederik VII. zu Reformen und dem Erlass eines Grundgesetzes. Mit den nationalen Spannungen und Dänemarks Verlust von Schleswig und Holstein im Krieg von 1864 verließen auch viele deutschsprachige Beamte und Kaufleute die Stadt, die sie bis dahin jahrhundertelang mitgeprägt hatten.

Mit der Industrialisierung im späten 19. Jahrhundert wuchs die Stadt durch Zuwanderung vom Land rasch an. Die Befestigungsanlagen wurden geschleift und teilweise in Parks umgewandelt. Die am östlichen Ende gelegene Wallanlage sowie die Festung Kastellet sind jedoch erhalten. Um die Mittelalterstadt herum wuchsen schnell Arbeiter- und Bürgerviertel, die bis heute noch aus um 1870 bis 1900 gebauten Häusern bestehen.

Am 9. April 1940 wurde Kopenhagen kampflos von deutschen Truppen eingenommen. Die Stadt blieb wie das übrige Dänemark bis zum 5. Mai 1945 besetzt, aber bis auf wenige Ausnahmen von Kriegszerstörungen verschont. Einige Industriebauten wurden zum Ziel von Angriffen dänischer Widerstandskämpfer. Als am 29. August 1943 die dänische Regierung zurücktrat, folgte eine unruhige Zeit. Im Juni 1944 begann im Arbeiterviertel Nørrebro ein gegen die Besatzungsmacht gerichteter Generalstreik, der sich auf ganz Dänemark ausbreitete. Am 21. März 1945 bombardierten alliierte Flugzeuge das Shell-Haus, das von den Deutschen als Gestapo-Hauptquartier benutzt wurde; dabei kamen etwa 125 Menschen um. Eines der niedrig fliegenden angreifenden Flugzeuge streifte am Bahnhof einen Lichtmast und stürzte bei der Französischen Schule ab. Die darauffolgende Explosion ließ nachfolgende Piloten glauben, das sei das Ziel, worauf von ihnen die Schule bombardiert wurde; insgesamt 900 Menschen kamen dabei um. Von diesem Bombardement in den letzten Tagen des Zweiten Weltkrieges abgesehen, blieb Kopenhagen von Kriegszerstörungen verschont.

Um den Urbanisierungsprozess des 20. Jahrhunderts steuern zu können, entwarf der dänische Architekt Peter Bredsdorff (1913-1981) 1947 den sogenannten Fingerplan (dän. Fingerplanen). Das Konzept ging aus dem "Gutachten über die Grüngebiete im Raum von Kopenhagen" (Betænkningen om Københavnsegnens Grønne Områder) von 1936 hervor und galt dem großflächigen Erhalt von Grünflächen trotz zunehmender Zersiedelung. Der Ausbau der S-Bahnlinien ermöglichte die Auslagerung von Wohnquartieren ins Umland. Gleichzeitig entstanden Vorortsiedlungen mit Hochhaus- und Einfamilienhausbebauung, deren Standard weit über dem Niveau der alten Innenstadtviertel lag. Daher ging die die Zahl der Einwohner zwischen 1960 und 1990 deutlich zurück.