Как и происхождение названия, неясно начало города. Страбон считал, что Пизу основал Нестор, мифический царь Пилоса, после падения Трои. Вергилий, напротив, упоминал, что в эти времена Пиза была уже большим процветающим городом. Согласно римскому историку Сервию, Пелопс, царь Пизы, основал город в XIII в. до н. э. Археологическим доказательством древности города пока остается этрусский некрополь VII–VI вв. до н. э., хотя люди жили на территории нынешнего города еще в палеолите. Очень рано утвердилось морское могущество Пизы: отсюда римский флот уходил в походы на лигуров, галлов и карфагенян. В 180 г. до н. э. Пиза получила официальный статус римской колонии: Портус Пизанус. Век спустя Пиза стала муниципией. Император Август укрепил город, при котором уже существовал значительный порт. В 313 г. Пиза стала центром епископства. В последние десятилетия имперской истории Пиза не переживала упадка, как многие другие города Западной Римской империи. Город процветал благодаря морскому порту и разветвленной системе рек и речек, образовывавших хороший защитный пояс. В VII в. Пиза помогла папе Григорию I организовать морскую экспедицию против византийской Равенны, одолжив понтифику множество кораблей. Позднее Пиза была единственным городом в Тоскане, мирно перешедшим в руки лангобардов. После этого утвердилось ее господство на морских путях северной части Тирренского моря. Пизанские мореходы поддерживали связи с Корсикой и Сардинией, югом – с Францией и Испанией. После завоевания Северной Италии Карлом Великим город пережил времена упадка. Политически он подчинился герцогству Лукка, но уже в середине Х в. историк Лиутпранд, епископ Кремонский, называл Пизу «столицей провинции Тоскана», а еще через столетие маркиз Тосканский обычно называл себя «маркизом Пизанским». В 1003 г. Пиза стала (вместе с Луккой) участницей первой коммунальной войны в Италии. Не ослабевала ее морская сила: в IX столетии город не раз отражал атаки сарацинских пиратов; в 871 г. пизанцы помогли жителям Салерно защититься от сарацинской эскадры, в 828 г. пизанцы участвовали в набеге на африканское побережье, в 970 г. пизанцы оказали мощную поддержку императору Оттону I во время экспедиции имперского флота к занятым византийцами берегам Калабрии. В XI в. Пиза становится одной из четырех морских республик Италии, и поначалу – далеко не последней из них. В 1005 г. пизанцы ограбили город Реджо-ди-Калабрия, в 1017 г. они, вместе с генуэзцами, заключают военный союз с сардинскими джудикатами, существенно поддержав сардинцев в войне с сарацинским королем Мугахидом. Военные базы пизанцев появляются сначала на Корсике, потом на севере Сардинии. В 1030–1035 гг. пизанцы совершают ряд успешных набегов на приморские города Сицилии и Северной Африки. В 1051–1052 гг. пизанский флот под командованием адмирала Якопо Чурини завоевывает Корсику, в 1063 г. адмирал Джованни Орландо помогает Рогеру I отбить у мусульман Палермо. Золото, отнятое у сарацинских пиратов, пошло частично на строительство пизанского кафедрального собора и других памятников на знаменитой Пьяцца дель Дуомо. В 1060 г. соперничество с Генуэзской республикой вылилось в первое вооруженное столкновение. Победа пизанцев укрепила позиции их города в Средиземноморье. Папа Григорий VII утвердил в 1077 г. «Морские права и обычаи», разработанные в основном пизанцами; император Генрих IV дал пизанцам право назначать собственных консулов, которых выбирал Совет старейшин; в 1092 г. папа Урбан II законодательно закрепил власть пизанцев над Корсикой и Сардинией и поднял местную епархию до ранга архиепископства.
В 1088 г. пизанские моряки разграбили тунисский город Махдия. Сто двадцать пизанских кораблей приняли участие в Первом крестовом походе причем на пути к Святой земле пизанцы не упускали возможности пограбить византийские порты. Пизанским флотом командовал архиепископ Дайберт, будущий патриарх Иерусалимский. На Ближнем Востоке пизанцы, как и купцы из других морских республик, основали немало колоний: пизанские фактории появились в Антиохии, Аккре, Яффе, Триполи, Тире, Йоппе, Латакии; у пизанцев были владения в Иерусалиме, Цезарее, Каире, Александрии и Константинополе, причем чаще всего эти владения получали от местных властей права автономий. Пизанский квартал в восточной части Константинополя в XII в. насчитывал больше тысячи постоянных жителей. Пиза стала главным торговым и военным партнером Византийской империи, превзойдя в этом отношении Венецию. В 1113 г. пизанцы и папа Пасхалий II при поддержке графа Барселоны и воинских контингентов из других итальянских городов и Прованса начинают войну за освобождение Балеарских островов. Освобождение архипелага отмечалось в Пизанской республике как государственный праздник. Этому событию была посвящена анонимная латинская поэма («Liber Maiorichinus»). Война шла с переменным успехом, но каждая победа пизанцев вызывала зависть у генуэзцев, ставших главными соперниками Пизы. В 1119 г. генуэзцы захватили несколько пизанских галер, возвращавшихся из очередного похода.