לראשונה התגלו באזור, בשנת 1927, ממזרח למוצא עילית כלי צור מן מהתקופה הנאוליתית בארץ ישראל, בגדה המערבית של נחל שורק. בשנת 2000, נמצאו שרידים של שכבת יישוב מהתקופה הנאוליתית הקדם-קרמית ב' (8500-7000 לפסה"נ) מעל השכבה האפיפלאוליתית. שכבה זו כללה רצפת עפר כבוש עם ארבעה מוקדים שהכילו צור לרבות פסולת, גרעינים וכלים וכן כלי עצם ועצמות בעלי חיים. ממצא יחיד במינו הוא מקדח הנתון בידית עצם חלולה.
בחפירות ארכאולוגיות שנערכו בשנת 2012, נחשפו שרידיהן של שתי שכבות מן התקופה הנאוליתית הקדם–קיראמית ב'. השכבה התחתונה מבין השתיים מיוחסת לחלקה הקדום של התקופה, והניבה מספר פסלונים אנתרופומורפיים וזואומורפיים, ביניהם צמד פסלוני בעלי חיים שנתגלו בסמיכות זה לזה. פסלון אחד, עשוי מאבן גיר קשה, עוצב בדמות ראם בעל קרניים מפותלות. הפסלון השני עוצב בדמות שור בר, והוא עשוי מאבן דולומיט. לפסלונים חשיבות רבה בחקר חיי הדת והפולחן של החברות הפרהיסטוריות המאוחרות בארץ ישראל. החברה שיצרה את הפסלונים התקיימה בתקופה שבה חל המעבר להתיישבות קבע ולכלכלה המבוססת על חקלאות ועל בעלי חיים מבויתים.
כחלק מהעבודות שמבצעת חברת נתיבי ישראל לסלילת כביש 16, נערכה חפירת הצלה על ידי רשות העתיקות בעמק מוצא, בה נחפרו 300 ריבועי חפירה בגודל של חמישה על חמישה מטרים כל אחד. במקום התגלה כפר מהתקופה הנאוליתית בארץ ישראל ונחשפו עשרות מבנים בשטח של כ–200 דונם, זהו יישוב הנאוליתי הגדול ביותר שהתגלה בארץ ישראל.
תקופת הברונזה.
בשנת 1973 חפר הארכאולוג עמנואל אייזנברג שרידי יישוב מתקופת הברונזה הקדומה.
תקופת הברזל: מקדש מוצא.
בשנים 1993–2003 נערכו שלוש עונות חפירה שבהן נחפר שרידי יישוב מתקופת הברזל 2א', בערך מהמאה התשיעית לפנה"ס. בשנת 2012, במהלך חפירה ארכאולוגית שנערכה לרגל שדרוג כביש 1, נחשף מקדש וכלי פולחן מתקופה זו, כלומר זהו אתר פולחן שהתקיים לצד המקדש המרכזי בירושלים בתקופת בית ראשון.
המקדש שהתגלה במוצא היה גדול לפחות כמו מקדש שלמה ושרד גם לאחר חורבן הבית. חוקרים ישראלים סבורים כי במקדש הונהג פולחן מעורב, יהודאי ואלילי, ומצביעים על דמיון אדריכלי למקדש בירושלים. עם זאת, לא ברור כיצד השתלב המקדש עם הממלכה הירושלמית.
התקופה הרומית.
יוסף בן מתתיהו מספר שאחרי נפילת מכוור העניק אספסיאנוס קרקע בקרבת ירושלים לשמונה מאות ותיקי הצבא הרומאי:
מוצא (קולוניה) הייתה מן הסתם אחת מתוך קהילות רבות של ותיקי צבא שנקראו 'קולוניה' ללא מעמד של עיר, היא נוסדה במרחב החקלאי הפורה ביותר באזור. ישעיהו פרס מציין כי בעת סלילת הכביש העוקף את הקסטל חשפה מחלקת העתיקות המנדטורית בית מרחץ בלא פרטים נוספים. על אחת מטביעות חותם של הלגיון העשירי פרטנסיס מאוסף רייפנברג נאמר כי מקורה במוצא, אך הדבר אינו ודאי.
התלמוד הבבלי מעיד כי כבר בזמן בית שני הייתה מוצא פטורה ממס. אפשר לשער כי הפטור נבע בגלל עיסוקם בגידול מסיבי של ערבות לצורכי בית המקדש, כמתואר שם בגמרא, גידול שאינו רווחי אך כרוך בטרחה ובהוצאות.
התקופה הצלבנית עד התקופה העות'מאנית.
בתקופה הצלבנית נודע היישוב בשם "קאלוני" (Qalonie) והוקם שם מבנה, אשר על שרידיו הוקם חאן בשנת 1871. במפקד העות'מאני שנערך בשנת 1596 מנה הכפר 110 תושבים, ושילם מיסים על גידולי חיטה, שעורה, זיתים, וכוורות דבורים. באזור עדיין קיימות טראסות מלאכותיות רבות, בהן גדלים עצי זית עתיקים (מהם קיבל המושב בית זית, שיושב על אדמות חקלאיות שהיו של קאלוניה, את שמו), ושדות שעורה.
הקמת המושבה.
חלקות הקרקע הראשונות נקנו בשנת תר"ך (1860) על ידי דוד ילין (הראשון), יוצא העיר לומז'ה שבפולין, ורבי שלמה יחזקאל יהודה, בן למשפחת יהודה המיוחסת מבגדאד. את הקרקע הם רכשו בעבור ילדיהם שנישאו, יהושע ושרח. יהושע ילין היה בן 17 בעת ביצוע הרכישה. המטרה הייתה "לרכוש לו מגרש או שדה חוץ לעיר". הוצע לאביו ולגיסו, שאול יהודה, כרם זיתים בכפר הערבי קאלוניה. בכרם הייתה חצובה מערה בסלע אשר ממנה נבע מעיין. המקום תאם את ציפיות הקונים: אוויר צח ונעים ומים קלים ומתוקים וכן שלושה מעיינות גדולים, יחידים בסביבה. המקום היה לנקודת משיכה ל"ישמעאליים" (ערבים) שבאו לנפוש בו. הייתה גם חשיבות לעובדה שהשטח המוצע למכירה היה בצד הדרך הראשית בין ירושלים ליפו.
לביצוע הרכישה נעזרו בקונסול הבריטי ג'יימס פין, אשר מצא את השיטה שתאפשר לשלטון העות'מאני לאשר את הקנייה. כאשר התבשרו תושבי המקום על העסקה, הם הציעו חלק מהאדמות שהיו לרשותם למכירה. השנה הייתה שנת בצורת. חלק מתושבי הכפר נטשו אותו לעבר הירדן או לחורן שבסוריה, ולנשארים היה כדאי למכור את האדמה שנמסרה להם. כך נרכש כל השטח המכונה "ארד' אל-בזוניה". החזקה בחלקה עברה לידי היהודים, וגדר אבנים הוקמה מסביבה.
יהושע ילין מציין כי חאג' מוסטפא אבו גוש מהכפר הערבי אבו גוש "משל על כל תושבי הכפרים בסביבות ירושלים לצד צפון, העלים עינו ולא הפריע לנו ממעשינו". ב-1871 הקים ילין על החלקה חאן, בבניין שבימינו הוא בית הכנסת של מוצא. היות שמוצא הייתה לתחנה חשובה לשיירות שנעו בין יפו לבין ירושלים, הפעלת החאן נחלה הצלחה, וגם מוסטפא אבו גוש היה שותף בחלוקת הרווחים.
בשנת 1890, לאור התעניינות יהודים בקניית אדמות באזור מוצא, שלא עלתה יפה, הצליח ילין לרכוש 184 דונם נוספים, אותם מכר לחובבי ציון ולחברה שנקראה "חיבת הארץ". כעבור שלוש שנים קנתה את הקרקעות הללו לשכת ירושלים של הארגון היהודי בני ברית, אשר החליטה ליישב את האדמות בחקלאים מצטיינים שהוכיחו את כישוריהם, ולהקים במקום מושבה. בשנת 1894 הושלמה רכישה נוספת של אדמות על ידי ארגון בני ברית שאיפשר למתיישבים לרכוש את נחלותיהם בתשלומים לתקופה ארוכה, והמושבה נוסדה על שטח של כ-1,000 דונם משני צידי הדרך מירושלים ליפו. בין המתיישבים הראשונים היו יצחק ולאה כהן, שמואל ברוזה ומשפחת מקלף (משפחת הוריו של מרדכי מקלף, לימים הרמטכ"ל השלישי של צה"ל). בשנת 1910 עבר משבר על המקום ומתוך 12 משפחות שהיו בו עזבו חמש. גם המורה עזב.
את ילדי מוצא לימד הסופר והחוקר משה דוד גאון (אביהם של בני גאון והזמר יהורם גאון).
מאורעות תרפ"ט.
במאורעות תרפ"ט הותקף היישוב, למרות יחסי הידידות בין המשפחות היהודיות ובין התושבים הערביים בסביבה. בהתקפה זו נרצחו כמעט כל בני משפחת מקלף - האב אריה לייב, האם בתיה חיה, הבן משה, הבנות מינה ורבקה, ושני אורחים מתל אביב - הרב שלמה זלמן שך ודוד גלצר. שלושה ילדים הצליחו להימלט - מרדכי, חיים וחנה. לאחר מכן ננטשה המושבה לתקופה של כשנה, ובהמשך יושבה מחדש. בשנת 1933 הוקם הכפר הסמוך, מוצא עילית, על ידי בני מוצא ומתיישבים נוספים מירושלים.
לאחר הקמת המדינה.
בשנת 1956 החלה הקרן הקיימת לישראל לנטוע את יער ירושלים על ההר שמעל המושבה. ביער ניטעו כמיליון עצים, בעיקר עצי אורן. בשנת 1962, הורחבה המושבה והוקמה בה שכונת וילות בשם "רמת מוצא". בשנת 1976 פרץ סכסוך בין תושבי השכונה לזמר יהורם גאון שביקש להקים במקום מועדון ומסעדה בניגוד לתוכנית המתאר. הסכסוך הגיע לדיון בבית המשפט העליון, שפסק לטובת התושבים. בשנות ה-80 נבנו בשכונה גם בתי דירות מדורגים על המדרון. בשנת 2000, הופקעו חלק מקרקעות המושבה לצורך הקמת מחלף מוצא.
הדרך הרומית.
ממזרח למושבה עולה דרך תלולה ומפותלת לשכונת גבעת שאול, שליד הר המנוחות. העלייה המפותלת נקראת "מעלה הרומאים". מהלכה הוא כ-3 ק"מ תוך עלייה של 200 מטר. ניתן להבחין בתוואי המפורט של הדרך במפת PEF משנת 1880. בימי המנדט הבריטי היה מקובל על תנועות הנוער לעלות לירושלים בדרך זו, שהמחישה את ה"עלייה" לירושלים. כיום, חלק גדול מהדרך אינו קיים יותר.
יהודה זיו, חוקר ארץ ישראל, כותב כי המעלה הרומאי שימש את העולים לירושלים עד סוף המאה ה-19. רק אז, נסללה על ידי הטורקים הדרך העוקפת היום את הר המנוחות.
בימי מלחמת העצמאות היה הכביש לירושלים תחת שליטה של תותחני הלגיון הערבי שהיו מוצבים בנבי סמואל. המעלה הקדום שימש את התחבורה העולה לירושלים.
בית חרושת לרעפים.
מהכביש הראשי, כביש ירושלים-תל אביב, ניתן לראות מבנה גדול אשר שימש בעברו כבית חרושת לרעפים. זהו בית החרושת לרעפים ולבנים שייסד יחיאל-מיכל שטינברג, שהיה ממייסדי מוצא, בסוף המאה ה-19. בית חרושת זה היה אחד מן הראשונים בתעשיית הקרמיקה בישראל. בית זה כונה בפי כל "הבית האדום". בשנות ה-90 של המאה ה-20 הוסב המבנה לפרויקט מגורים מטופח. הבית הצמוד לבית האדום שהוכרז "מבנה לשימור" הוא בית אחיו - בית ירחמיאל שטינברג, הנמנה גם הוא עם מייסדי המושבה והיה ראש הכפר בתקופת הטורקים והמנדט. הבית הכיל את "יקב שטינברג". (המבנה פורק במרץ - אפריל 2010 מתוך כוונה לבנות במקום מרכז מסחרי. היזם התחייב בדיוני הוועדה בכנסת בראשות זבולון אורלב להקימו בהעתק מדויק בקדמת המגרש מתוך כוונה לשמר את אופי המבנה, להציג תערוכת קבע במקום ועם זאת, להופכו למסעדה). ירחמיאל, שידוע היה בכינוי "הצדיק ממוצא", לא נטש את מוצא בפרעות תרפ"ט ואף לא בקרבות מלחמת העצמאות.
בית חרושת אחר היה זה שתיארה איטה לוין.
איטה ילין מספרת כי אביה, יחיאל מיכל פינס, יחד עם יהושע ילין, הקימו את בית החרושת בשנת תר"מ (1880). המומחה לייצור הרעפים היה צעיר ירושלמי בשם אלטר גרינברג, אשר נסע לפריז ללמוד את העבודה. את הרעפים שנוצרו כינו בשמו, ביידיש "אלטער צ'רפ" - היות שהן היו נשברות בקלות. כנראה זו הייתה הסיבה העיקרית לכך שבית החרושת פעל רק כשנתיים.
מקור השם.