Los primeros en asentarse allí fueron los componentes de la tribu celtibérica de los lusones, pueblo que dominaba la cuenca media del río Jalón. Los restos celtibéricos, una ciudad amurallada, ocupaban la parte central de lo que luego sería la población romana, lugar desde donde era posible observar el paso del Jalón. Los habitantes celtibéricos de la ciudad comenzaron a acuñar moneda de bronce a finales del siglo II a.C. Los tipos clásicos de las monedas bilbilitanas presentaban un jinete lancero en el reverso y el busto de un personaje barbudo en el anverso. Las marcas de ceca solían ser dos: la sílaba BI o la letra S. La fabricación de monedas prosiguió después de la ocupación romana, e incluso en un primer momento se respetaron los tipos locales. Bílbilis cayó en poder de los romanos en el 133 a.C., durante el transcurso de las Guerras Celtibéricas. La ciudad permaneció fiel a Roma y se opuso a la sublevación de Sertorio. Éste la tomó en el 77 a.C., y la tuvo en su poder hasta que Metelo la reintegró a Roma tres años después. Augusto otorgó a la población categoría de municipio y la adscribió a la tribu Galeria. En esta época, la ciudad sufrió una profunda remodelación y ocupó la totalidad del cerro sobre la que se asentaba y se reconstruyó la muralla
También se edificó la parte monumental de la ciudad, con un foro tallado en la piedra y un templo de estilo corintio. Tras el foro se situaba la zona comercial, en la que se incluían las termas y un teatro que aprovechaba el desnivel del terreno. Los arqueólogos han encontrado restos de un sistema de alcantarillado de época julio-claudia que daba servicio a toda la ciudad. Las viviendas de época romana, situadas de forma escalonada, eran construidas con piedras y adobes, y enlucidas con mortero de yeso. Los pavimentos estaban elaborados con la técnica del opus signitum. La ciudad comenzó a declinar a finales del siglo II a.C. sin ningún motivo aparente.
