Middelalderens «Stafangr» vokste frem på 1000- og 1100-tallet. I byområdet er det funnet spor etter gårdsbosetning og jordbruk som kan dateres til bronsealderen og jernalderen. Restene av middelalderbyen ligger i dag under sentrale deler av dagens by og er et automatisk fredet kulturminne.
Byen lå ved Vågen som var en godt beskyttet havn og gunstig plassert i forhold til handelsruten langs kysten og jordbruksbygdene omkring. Vågsbunnen har vært et viktig bosetningsområde fra tidlig middelalder av men formelle byrettigheter lot dog vente på seg helt til 1425.
Restene av middelalderens bybebyggelse ligger lag på lag, tett innpakket i ulike typer avfall og jordmasser som har samlet seg opp eller blitt påført gjennom tidene. Slike avsetninger blir kalt “kulturlag”. I løpet av middelalderen ble den opprinnelige strandlinjen fylt ut i Vågen, og de siste årene er det funnet store områder med tykke og urørte kulturlag under dagens kaiområde og bebyggelse. Jevn fuktighet og fravær av oksygen gjør at organisk materiale som tre, lær, tekstil og bein kan bevares i kulturlagene. Grunnvann er en forutsetning for at de rike organiske kulturlagene i grunnen kan sikres og samtidig gi stabile grunnforhold for bygningene oppå.
Stavanger er blitt oppfattet som en kirke- og biskopsby, og kirkelige byggverk satte nok preg på middelalderens bymiljø. Bispedømmet ble opprettet i 1120-årene og byggingen av Domkirken ble påbegynt tidlig på 1100-tallet. Bispegården (Kongsgård) med kapell og ringmur ble bygget på 1200-tallet. Tilknyttet domkirken var også en katedralskole, den eneste skolen fra middelalderen i Norge som var bygget i stein.
Byen skal ha hatt tre sognekirker med kirkegårder; Mariakirken, Peterskirken og Martinskirken. Best kjent er Mariakirken som ble oppført på 1200-tallet. Peterskirken hadde et hospital knyttet til seg. Byen hadde også et Olavskloster, grunnlagt før 1160.
Grensene for byens utstrekning i middelalderen er ennå ikke klarlagt og den vanlige bebyggelsen er lite kjent. I de skriftlige kildene finnes navn på fem bygårder og én av bryggene, Biskopsbryggen. Noe av middelalderbyens gatestruktur kan anes i dagens by i områdene ved Domkirken og Vågen, det er også her de fleste arkeologiske funn fra middelalder er gjort.
Stor byggevirksomhet i Stavanger sentrum fra 1970-årene av har ført til at middelalderske kulturlag i bykjernen er kraftig minimert. Samtidig har nye arkeologiske undersøkelser og analyser av planterester i jordmassene avdekket flere tidligere ukjente områder med tykke kulturlag.