Det finnes historisk dokumentasjon for Trondheim som by tilbake til 997, med Olav Tryggvason som grunnlegger. Det finnes imidlertid rester av bebyggelse relatert til landbruk og sjø fra før dette i grunnen. Bebyggelsen vokste raskt opp gjennom eldre og yngre middelalder, med religiøse monumentalbygg, forsvarsverker og verdslige bygninger. Fremveksten av byen skjedde i all hovedsak innenfor det som i dag kalles Midtbyen, altså området avgrenset av Nidelven i sør og øst, og Trondheimsfjorden mot nord. (I kulturlagene under deler av dagens bysentrum er det bevart rester av en unik middelaldersk bystruktur. Denne er klassifisert og rådighetsinnskrenket som fredet middelalderbygrunn.)
Etter bybrannen i 1681 ble den luxembourgske generalmajoren Johan Caspar de Cicignon gitt oppgaven med å utarbeide en ny byplan for Trondheim. Resultatet av dette er i dag synlig som en konsekvent gjennomført og meget godt bevart barokk reguleringsplan, som etter mer enn 300 år stadig ligger til grunn for reguleringen av sentrum. (Sidestykker i Norge er Christianias byplan fra 1624 og Kristiansands fra 1641).
Men selv de brede gatene var ikke nok til å hindre flere store bybranner. Trondheims byhistorie er preget av brann, og mye av byens både nyere og eldre bygningsmasse er oppført på tidligere branntomter. Som en følge av dette har bygningsmassen i sentrum et stort aldersspenn, og mange epoker og stilarter er i varierende grad representert, fra svært gamle trehus og murbygg, via bygårder i jugendstil, og helt frem til kontemporær arkitektur. Denne variasjonen bindes sammen til en tydelig helhet gjennom en uniform og streng relasjon til gatestrukturen.
Karakterisering
Byen orienterer seg etter landskapet. Fjorden, Byåsen og åsene sør og øst for sentrum (herunder Kuhaugen, Kristiansten, Singsaker og Gløshaugen) danner et tydelig landskapsrom som er lesbart og sansbart fra hele det historiske bysentrum. Dette gir seg uttrykk i en klar tilstedeværelse av siktlinjer i selv de eldste spor av bystrukturen. Siktlinjene forholder seg både til landskapet og til menneskeskapte landemerker, særlig til (og mellom) byens maktsteder. Viktige siktpunkter er Lade kirke/gård, Kristiansten festning, Sverresborg, Domkirka, Munkholmen og Gløshaugen.
Orienteringsprinsippet basert på siktlinjer ble forsterket gjennom Cicignon-planen. Munkegata er et spesielt klart eksempel: den brede avenyen rammer inn domkirken som fondmotiv i sør, og Munkholmen mot nord, med Fosenfjellene som bakteppe. Den har dessuten en spesiell betydning som prosesjonsgate i signingsbyen. Med akser og siktsektorer relatert til både historiske monumentalobjekter og byens natur- og kulturlandskap knyttes sted og historie sammen på en tydelig måte.
Den overordnede gatenettstrukturen etablert gjennom Cicignon-planen er også et svært viktig element i Trondheims karakter og historie. Med sine store kvartaler, brede gater og klare plassdannelser gir den byen et tydelig preg av storslåtthet. Etter at planen ble implementert viste det seg imidlertid at mange fortsatt forholdt seg til gamle tomtemerker, og dermed også mye av det gamle gatenettet når nye bygg skulle føres opp. Som et resultat finnes det i dag to overlappende gatenett i Midtbyen, og kvartalene som dannes av Cicignons storslåtte gateløp perforeres av trange, snirklende bakgater, lokalt benevnt «veiter». Spenningsfeltet mellom dimensjonene i disse gaterommene gir bystrukturen en høyst spesiell karakter og et tydelig preg av variasjon og liv – både levd og fortsatt levende.
Torget, med de tilliggende gaterommene i Kongens gate og Munkegata, er et av hovedelementene i Cicignons byplan, og et enestående gatebilde og en unik plassdannelse i bysammenheng i Norge. Her kan særlig nevnes de store staselige trepaleène som på 1700-tallet manifesterte patrisiatets status. Disse klare byrommene danner en viktig og karaktersterk visuell ramme omkring gjenværende eldre bybebyggelse (herunder ikke minst Domkirken). Et godt eksempel på dette er Vår Frue Kirke. Denne enskipede middelalderkirken i sten ligger som fondmotiv i sørenden av Nordre gate, og flankerer det historisk viktige byrommet i Kongens gate. Den er av store dimensjoner, og var byens hovedkirke i nær 800 år. Tårnet (fra 1739) betraktes av mange som det mest fremtredende "vartegn" for Trondheim by, på tross av sterk konkurranse fra domkirken.
Spredt over de sentrale bystrøk finnes også til dels meget velbevart "jugendbebyggelse" eller jugendstilinspirert bebyggelse, hovedsakelig i form av bolighus med flere leiligheter. De beste eksemplarene er fine eksempler på norsk jugendstil slik den ble utviklet etter Ålesunds brann – i Trondheim i flere tilfelle av de samme arkitektene, som kom til byen etter å ha fullført sitt arbeid i Ålesund. Særpreget er på den ene siden forekomsten av såkalt råkopp-bebyggelse, der det i Trondheim finnes flere særdeles fremragende objekter; på den annen side den strammere utformete pussede jugendbebyggelse, så som E. C. Dahls Fødestiftelse fra 1908, tegnet av arkitekt Johan Osness. Variasjonsbredden i den trondheimske jugendbebyggelsen er stor, og antallet objekter betydelig.