לפי סיפור המקרא, העיר נכללה בתחום הנציבויות של שלמה המלך, לאחר שנכבשה על ידי דוד המלך. כמו כן היא נזכרת ברשימת הערים הכבושות לאחר מסע שישק לארץ ישראל, בימיו של רחבעם (925 לפנה"ס).
בתקופת בית שני הייתה בית שאן עיר מעורבת שבה גרו יהודים שקראו לה ביישן, ויוונים שקראו לה סקיתופוליס ("עיר הסקיתים"). לדברי מיכאל אבי-יונה, היא נקראה כך על שם שכירי הצבא הסקיתים שהושיבו שם המלכים לבית תלמי.
התקופה הרומית.
במהלך המרד הגדול (66–70 לספירה) שיתפו היהודים המקומיים פעולה עם שכניהם היוונים ונלחמו נגד אחיהם המורדים היהודים. לאחר שהצליחו להרחיק את המורדים היהודים לאות 'תודה' משכניהם היוונים נטבחו תושבי העיר היהודים על ידי שכניהם הנכרים. בתקופה הרומית כונתה העיר "ניסה סקיתופוליס", על-שם ניסה, שהייתה במיתולוגיה היוונית האומנת של דיוניסוס, אל היין והפריון ופטרונה של בית שאן.
אולם ייתכן כי זהו שם ששייך לשושלת סלאוקוס, משום שהייתה נסיכה סלאוקית בשם זה.
העיר הייתה הבירה של ברית עשר הערים (הדקאפוליס) בראשית התקופה הרומית, אף על פי ששאר הערים היו בעבר הירדן המזרחי.
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, באותה תקופה העיר נקראה סקיתופוליס.
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 החמישית לספירה.
רוב מבני העיר נהרסו ברעידות האדמה בשנת 659/60 וברעידה שאירעה בשנת 749, לאחריה הפכה לעיירה קטנה תחת השם 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 (סיירתי ברחבי הארץ). עירותיה, מדינותיה וכרכיה רובם דרכתי (בקרתי בכל מקום). 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".
התקופה העות'מאנית.
במשך רוב התקופה העות'מאנית הייתה העיר כפר נידח וחרב. 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.
במהלך המאה ה-19 הגיעו לאזור בית שאן בדווים ומהגרים מצרים. 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 שיח' 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. בעשור האחרון של המאה ה-19 מגיעים לעיירה הקטנה גם ראשוני המתיישבים היהודים. המיזם המשמעותי ביותר בעיר, היה תחנה על תוואי רכבת העמק, שנחנכה ב-1904, ופעלה עד ליל הגשרים ב-1948, אז פסקה פעולת הקו.
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, היה להם נציג בעירייה, פעלה שם מרפאה מטעם הדסה וגם בית ספר עברי.
במהלך מאורעות תרצ"ו-תרצ"ט איימו הערבים בביסאן בפרעות על הקהילה היהודית.
המאורעות פרצו ב-19 באפריל 1936 ויומיים לאחר מכן פונו כל יהודי העיר.
היהודי היחיד שנותר בעיירה היה הרופא ד"ר יוסף להרס. הוא נרצח ביריות ב-26 בפברואר 1937.
על פי תוכנית החלוקה יועדה העיר וסביבותיה להפוך לחלק מן המדינה היהודית. בחודש ינואר 1948 דווח כי הוועד הערבי העליון בראשות המופתי אמין אל-חוסייני סיכל ניסיון של מנהיגי העיר הערבים ותושבי האזור היהודים להגיע ל"הסכם בלתי רשמי של הבלגה הדדית". עמק בית שאן ובמרכזו ביסאן נתפס בעיני מטה "ההגנה" כאחד הנתיבים העיקריים דרכם צפוי צבא עבר הירדן לפלוש למדינה היהודית. ב-22 באפריל המליץ יגאל אלון לכבוש את העיר ולהניס את תושביה הערביים. תושבי היישובים היהודיים באזור ויוסף ויץ הפעילו גם הם לחץ על מנהיגי היישוב וטענו כי צבא הלגיון נכנס לעיר ומחזק את ביצוריה. בעקבות כך מסוף אפריל הוטל מצור חלקי על העיר ומשפחות אמידות בה החלו לעזוב לעבר הירדן. בראשית מאי הורה הלגיון הערבי על פינוי נשים וילדים מהעיר.
בליל 11 במאי כבשה מחלקה של "ההגנה" את תל בית שאן. בעקבות זאת, ב-12 במאי נכנעה העיר לחיילי "ההגנה". במהלך המשא ומתן על תנאי הכניעה ברחו יחידות צבא השחרור הערבי ומרבית תושבי העיר, רובם לעבר הירדן ומיעוטם לג'נין. בעיר נותרו בין 700 ל-1,500 איש. תחילה הוטל עליהם עוצר ומשטר צבאי, אך קציני "ההגנה" באזור שחששו מהפלישה העתידית של צבאות ערב ומקיומו של ריכוז ערבי גדול בסמוך לחזית לחצו על פינוי הנותרים ובקשתם נענתה. בסוף החודש פונו גם אחרוני התושבים, רובם נוצרים, לנצרת.
לאחר הקמת מדינת ישראל.
ביוני 1949 יושבה העיירה מחדש בשמה הקדום "בית שאן". בשנות ה-50 וה-60, במסגרת העלייה ההמונית, הובאו אליה עולים חדשים רבים מעיראק, איראן, רומניה וצפון אפריקה.
במהלך מלחמת ההתשה סבלה העיר מהפגזות ירדניות ומהסתננויות של מחבלים משטח ירדן. באירועים אלו נהרגו ונפצעו תושבים רבים. בשנת 1974 אירע פיגוע בו רצחו מחבלים מהחזית הדמוקרטית לשחרור פלסטין ארבעה מתושבי העיר, אירוע שהוביל להפגנות סוערות של התושבים.
בשנת 1999 הוכרזה בית שאן כעיר.
בנובמבר 2002 ביצעו שני מחבלי פת"ח שהגיעו מהכפר ג'ילבון בשומרון פיגוע טרור בסניף הליכוד בעיר. בפיגוע שהתרחש בעיצומו של יום הבחירות הפנימיות נרצחו 6 אזרחים (5 מתוכם תושבי העיר) ונפצעו עשרות נוספים.
ביוני 2017 הופקדה תוכנית המתאר העירונית, במסגרתה יבנו כ-6,540 יחידות דיור, יוקמו כ-470 אלף מ"ר של שטחי תעסוקה ומסחר ואף יבנו גם כ-כ-710 חדרי מלון. כמו כן צפויה הרחבת הגן הלאומי בעיר והקמת כניסה חדשה לכיוון מרכז העיר.
תחבורה.
כביש 90, הכביש הארוך ביותר בישראל, חולף בתחומי העיר וחוצה אותה.
רכבת.
בבית שאן הוקמה התחנה החמישית מבין שמונה התחנות המקוריות של מסילת הרכבת החיג'אזית, שנקראה "ביסאן". במהלך השנים נערכו תוכניות שונות לחידוש פעילות מסילת רכבת העמק שנבנתה על ידי העות'מאנים, אך התוכניות הבשילו לכדי ביצוע רק בראשית העשור השני של המאה ה-21. ב-16 באוקטובר 2016 נחנכה תחנת הרכבת החדשה ומסילת העמק החדשה שנבנתה בעקבות תוואי המסילה הישן, עם שינויים קלים. הרכבת מחברת בין חיפה לעפולה ובית שאן.
אוטובוסים.
בעיר מופעלים קווי אוטובוס של חברת סופרבוס, לאחר שהחברה נבחרה בשנת 2014 לפעול באשכול העמקים, והחליפה את חברת קווים שפעלה בעיר. בספטמבר 2017, לאחר עיכובים רבים נפתח מסוף בית שאן שמרכז את האטובוסים המגיעים לעיר.
תיירות.