במאה ה-15 לפני הספירה נכבשה העיר על ידי תחותמס השלישי, והיא מוזכרת ברשימת כיבושיו שנמצאה באתר כרנך.
עד המאה ה-12 לפני הספירה הייתה העיר תחת שלטון מצרי, ונמצאו בה שרידים של בית מושל מצרי, ששימש ככל הנראה רצף של מספר מושלים. בזמן כמה מהם הייתה העיר מרכז שלטוני של כל האזור. בעיר נמצא פסל של רעמסס השלישי, וכן שתי אסטלות מימיו של סתי הראשון. על אחת האסטלות מצוינת חשיבותה האסטרטגית של בית שאן, ועל השנייה מוזכר שהיה בבית שאן נציב מצרי בתקופת רעמסס השני.
האזכור הכתוב הקדום ביותר של העיר עשוי להיות בכתבי המארות שנכתבו במצרים העתיקה, שם מוזכרת העיר בשם "אסאן", אך יש ויכוח על פענוח וזיהוי שם זה.
העיר מוזכרת במכתבי אל-עמארנה במכתב מהמלך עבדיחבה.
תקופת הברזל.
הסיפור המקראי.
בית שאן מוזכרת לראשונה בחלוקת הארץ לאחר כיבושה על ידי יהושע בן נון. בית שאן ניתנה לשבט מנשה. בספר שופטים מצוין: "וְלֹא הוֹרִישׁ מְנַשֶּׁה אֶת בֵּית שְׁאָן... וַיּוֹאֶל הַכְּנַעֲנִי לָשֶׁבֶת בָּאָרֶץ הַזֹּאת".
בתקופת שאול המלך מסופר כי לאחר שצבא ישראל נוצח בגלבוע בידי הפלשתים, שמו את גוויית שאול וגוויות בניו על חומת העיר בית שאן: .
העיר נכללה ברשימת הנציבויות של שלמה המלך, כחלק מפירוט תחומה של ממלכת ישראל המאוחדת.
ממצאים ארכאולוגיים.
אמנם המשלחת של אוניברסיטת פנסילבניה לא זיהתה במקום תקופה של התיישבות כנענית, אך המשלחת של האוניברסיטה העברית זיהתה התיישבות כנענית במאה ה-11 לפני הספירה. עיר זו נחרבה בשרפה.
לא נמצאו באזור ממצאים של התיישבות פלשתית, אך אפשרי שכוח צבאי פלשתי עבר באזור והשתמש בחומות העיר לתליית שאול.
שתי המשלחות זיהו במקום שרידי מבנים מהמאה ה-10 לפנה"ס, ובהם כלים המשויכים לתקופת הממלכה הישראלית המאוחדת. השרידים עברו שרפה, ככל הנראה בכיבוש שישק.
בכרנך שבמצרים השתמרה רשימת הערים שנכבשו במסע שישק לארץ ישראל (925 לפנה"ס), ובהן נמנית בית שאן.
מבנה נוסף שויך למאה ה-8 לפנה"ס. בין הממצאים במבנה זה, תחתית צנצנת עליה רשום בכתב עברי עתיק. הריסתו משויכת לכיבוש של תגלת-פלאסר השלישי באותה מאה. בתקופת הכיבוש האשורי אין ממצאים להתיישבות, עד התקופה ההלניסטית.
התקופה ההלניסטית.
בתקופת בית שני הייתה בית שאן עיר מעורבת שבה גרו יהודים שקראו לה ביישן, ויוונים שקראו לה סקיתופוליס. פרופסור מיכאל אבי-יונה אומר שנקראה כך על שם שכירי הצבא הסקיתים שהושיבו שם המלכים לבית תלמי.
הממצאים בתל מהתקופה הזו עשירים וכוללים שרידי בתים, תנורים ושלל כלי חרס, ביניהם ידיות חתומות שהגיעו מהאי רודוס, קערות יצוקות שהגיעו מהעיר מגארה ודמויות טרקוטה . מטבעות תלמאים ושקל צורי מלמדים על תקופת ההתיישבות: מסוף המאה ה-3 לפנה"ס עד המאה ה-1 לפנה"ס.
ממצאים רבים מהתקופה ההלניסטית נמצאו בתל סמוך, תל אצטבא. ייתכן שהעיר סקיתופוליס ההלניסטית כללה את שני התלים.
בתקופת ההתרחבות של ממלכת החשמונאים, כבש יוחנן הורקנוס הראשון את בית שאן, וכך תואר בספרו של יוסף בן מתתיהו, מלחמות היהודים: לפי מגילת תענית, החשמונאים הגלו את אנשי בית שאן בט"ו בסיוון (בשנת 107 לפני הספירה).
התקופה הרומית.
בשנת 63 לפני הספירה, כבש פומפיוס את ירושלים, וממלכת יהודה החשמונאית, ובכללה בית שאן, הפכה להיות בשליטת הרומאים. אולוס גביניוס בנה את סקיתופוליס מחדש כעיר רומית.
בתקופה הרומית כונתה העיר "ניסה סקיתופוליס", על-שם ניסה, שהייתה במיתולוגיה היוונית האומנת של דיוניסוס, אל היין והפריון ופטרונה של בית שאן. העיר הייתה הבירה של ברית עשר הערים (הדקאפוליס) בראשית התקופה הרומית, אף על פי ששאר הערים היו בעבר הירדן המזרחי.
בתקופת השלום הרומאי העיר שגשגה, כפי שניכר משרידי הבנייה המאסיבית, ובכללם התיאטרון במצב הטוב ביותר שנשתמר משומרון הקדומה, היפודרום, קארדו ועוד.
בחפירות ארכאולוגיות בתל בית שאן לא נמצאו ממצאים מהתקופה הרומית, פרט למקדש מונומנטלי בפסגת התל, וייתכן שהתל לא היה מיושב בתקופה הרומית, וכל ההתיישבות התרכזה מדרום לו. לדברי עמיחי מזר יש לראות בתל ובמקדש שבראשו חלק מהעיר הרומית, גם אם לא הייתה בו התיישבות. מדרום לתל התגלו ממצאים רבים מהתקופה הרומית.
בחפירות שהתקיימו במרכז הציבורי של העיר הרומית בין השנים 1960–1963 ו-1986–1999 נחשפו שני תיאטראות, אודיאון ואמפיתיאטרון.
בתחילת המרד הגדול נגד הרומאים, בשנת 66 לספירה, טבחו תושבי קיסריה, הסורים והיוונים ביהודים ורצחו 20,000 מהם. הנקמה לא איחרה לבוא:
בראשית המאה ה-3 לספירה, פטר רבי יהודה הנשיא את הקהילה היהודית בעיר ממצוות התלויות בארץ, מאחר שהעיר לא נכבשה שנית בידי עולי בבל ואין לה דיני קדושת הארץ לעניין מעשרות. במשנה מוזכרות חנויות מעוטרות בעבודה זרה שהיו בבית שאן. משם ניתן להבין כי התקיימה בעיר עבודה זרה לפני תחילת המאה ה-3, בה נחתמה המשנה.
התקופה הביזנטית וימי הביניים.
בית שאן הייתה עיר נוצרית חשובה בתקופה הביזנטית.
ברעידת אדמה בשנת 363 נהרסו מבנים בעיר, בהם הבזיליקה הרומית. בשנת 409 חולקה הארץ לשלוש פרובינקיות, וסקיתופוליס נבחרה לבירת הפרובינקיה פלשתינה השנייה. במהלך כל התקופה הרומית-ביזנטית הייתה סקיתופוליס עיר מפוארת עם מבני ציבור, בתי מרחץ, מתקני שעשועים, שווקים, נימפאונים, שערים מונומנטליים ורחובות מרכזיים צולבים (קארדו ודקומאנוס). בעיר היה בית כנסת עם פסיפס מרשים שנחשף בסוף שנות ה-60 של המאה ה-20, ומקדשים אליליים גדולים שהפכו אחר כך לכנסיות. ב-2010 נחשף בית כנסת שומרוני שנבנה ככל הנראה בסוף המאה ה-5 לספירה.
רוב מבני העיר נהרסו ברעידות האדמה בשנת 659/60 וברעידה שאירעה בשנת 749, לאחריה הפכה לעיירה קטנה בשם הערבי: ביסאן.
בית שאן נכבשה על ידי טנקרד (1072 – 1112) במסע הצלב הראשון בשנת 1099, אך היא מעולם לא בוּצרה. למרות זאת הוקמה בה מצודה בחלקו המזרחי של ההיפודרום הרומי הנטוש. גם התל כנראה יושב בתקופה זו. בית שאן עמדה במתקפה הראשונה של צלאח א-דין ב-1182, אך מקץ שנה נפלה ונהרסה כליל בידיו. העיר נבנתה מחדש בשנת 1192, ועִז א-דין אֻסאמה אלצאלח מונה למושלה. ב-1217, הרסו הצלבנים את העיר שוב במסע הצלב החמישי בראשות אנדרי מלך הונגריה. הקטע האחרון של קרב עין ג'אלות (1260) בין המונגולים לממלוכים התרחש בבית שאן. בית שאן שוקמה מהריסותיה שוב באמצע המאה ה-13, כאשר מדי פעם התנפלו עליה המונגולים או הצלבנים. בד בבד, חשיבותהּ הלכה ועלתה עם תזוזת החזית המונגולית-ממלוכית צפונה לסוריה, והיותה תחנה בדרך הראשית (דרך הדואר) המחברת בין סוריה ומצרים. ב-1260 הפכה בית שאן לבירת אחת הנפות של מחוז דמשק, כאשר באותה עת נבנתה בה אכסניית-השיירות של האמיר סלאר (שכונתה "ח'אן אל-אחמר"), ליד השכונה הסמוכה למסילת הברזל דהיום.
במאה ה-14 חייתה בעיר קהילה יהודית קטנה. ר' אשתורי הפרחי (1313 והלאה) כותב בספרו "כפתור ופרח" מדוע בחר בבית שאן כמקום מגוריו: "בפלגת אדמת ישראל בחסד עליון עברתי. עירותיה, מדינותיה וכרכיה רובם דרכתי. הרי בשמים עם נרדים מצאתי בבית שאן למנשה, אשר בו חבר את זה ישיבתי בחרתי. יושבת על מים רבים, ארץ חמדה מבורכת, ושבעת שמחות כגן השם תוציא צמחה ולגן עדן פתחה".
כמה דמויות נוצריות בולטות גרו בבית שאן, ביניהן קירילוס מסקיתופוליס, פרוקופיוס מסקיתופוליס ויוסף הקומס בסוף ימיו.
התקופה העות'מאנית.
במשך רוב התקופה העות'מאנית הייתה העיר כפר נידח וחרב.
במאה ה-19 הגיעו לאזור בית שאן בדווים ומהגרים מצריים. הם הצרו והציקו לשאר המתיישבים המקוריים שהיו באזור עוד לפני כן. ב-1876 עלה עבדול חמיד השני על כס הסולטנות בטורקיה: הוא עשה סדר ברישום הקרקעות, גירש אנשים שלא עיבדו את האדמה והעלו לו מס יובלים, והגדיר את האדמות הלא מעובדות כג'יפתליק - אדמות ששייכות לסולטנות. בנוסף שיפץ הסולטן את גשר שייח' חוסיין, שיפר את מצב הביטחון והשקיע בתשתיות, איפשר התיישבות קבע וגירש חלק מהבדווים. דברים אלו שיפרו את מצב הביטחון וההתיישבות בעמק בית שאן ובה עצמה, והיישוב החל לצמוח.
במחצית השנייה של המאה ה-19 נערכו מספר פעולות שיקום ושיפור במרחב כולו, העיר הוכרזה עיר מחוז, נבנו בה מספר מבני ממשל (חלקם קיימים עד היום), נוסדו בעיר שווקים ומונה נציב לאזור. המיזם המשמעותי ביותר בעיר, היה תחנה על תוואי רכבת העמק, שנחנכה ב-1904, ופעלה עד ליל הגשרים ב-1948, אז פסקה פעולת הקו.
בעשור האחרון של המאה ה-19 הגיעו לעיירה הקטנה גם ראשוני המתיישבים היהודים.
כתוצאה מפעילות השיקום, החלה זרימת אוכלוסייה אזרחית ליישוב הקטן, שמנה ערב מלחמת העולם הראשונה 2,000 נפש, והוא זכה למעמד של עירייה.
עד היום פזורים בבית שאן כמה עשרות מבנים מהתקופה המנדטורית. בתקופה העות'מאנית הבתים היו עשויים מחומר, ולרוב לא נותר מהם כמעט דבר.
המנדט הבריטי ומלחמת העצמאות.
בימי המנדט הבריטי הייתה ביסאן עיירה ערבית. על פי סקר הכפרים 1945 בארץ ישראל מנתה 5,180 תושבים ושימשה כבירת נפת ביסאן במחוז הגליל (1945). בעיר הערבית שהו בשיאה של הקהילה היהודית בתקופת המנדט, בין 200 ל-250 יהודים שנמלטו בזמן מאורעות תרצ"ו-תרצ"ט. המאורעות פרצו ב-19 באפריל 1936, הערבים בבית שאן איימו בפרעות על הקהילה היהודית בבית שאן ולכן יומיים לאחר מכן פונו כל יהודי העיר.