文献史料によると崇神天皇の時代に神武天皇後裔の多氏族である建五百建命が初代科野国造に任じられたと伝わる。景行天皇の時代には、神代に諏訪へ来臨したと伝わる建御名方神の後裔である建大臣命が初代洲羽国造に任じられとされ、系図では科野国造家と洲羽国造家の間で複数回の通婚が見られる。ただし洲羽国造は諏訪氏系図以外の史料には見られない。また景行天皇の時代、その子の倭建命が科野国を訪れ、南信では八意思兼神の後裔赤津比古命が倭建命をもてなしたとされる。この一族は後に大御食神社の社家になったと伝わり、支族の知知夫彦命が成務天皇の時代に知々夫国造に任じられた。考古遺物としては4世紀中期から6世紀初頭にかけて、北信で埴科古墳群や川柳将軍塚古墳など、ヤマト王権の影響を受けた前方後円墳が多数築造された。また埴科古墳群の森将軍塚古墳の被葬者は初代科野国造の建五百建命とする説がある。一方南信では4世紀に代田山狐塚古墳が造営され、その後1世紀ほど築造が途絶えるものの、5世紀後半から6世紀末頃にかけて飯田古墳群が成立し、多種多様な古墳が築造された。6世紀中期には箕輪町に松島王墓古墳が築造され、筑摩郡周辺にも弘法山古墳が造営された4世紀以降2世紀近く途絶えていた古墳が円墳を中心に再び築造される。しかし諏訪地域への古墳文化の流入は遥かに遅く、5世紀代にフネ古墳、片山古墳が築造されるものの、前方後円墳は下諏訪青塚古墳が唯一築造されるにとどまった。6世紀後半には欽明天皇の時代に科野国造後裔の金刺舎人氏、敏達天皇の時代に同じく科野国造後裔の他田舎人氏、時期不明であるが諏訪氏の前身となる洲羽国造後裔の神人部直氏の三氏族が成立し、後にそれぞれが諏訪大社下社大祝家、小県郡大領、諏訪大社上社大祝家となった。7世紀の大化元年（645年）の大化の改新の後の令制国発足により、科野国造の領域の佐久、伊那、高井、埴科、小県、水内、筑摩、更級、諏訪、安曇の十郡を以って成立し、現在の長野県のうち木曽地方を欠く大部分を領域とした。新政権は大化から白雉年間（645年～654年）にかけて、それまでの国造の支配に依拠してきた地方支配を改め、「評」と呼ばれる行政区画を全国に設置した。本県域では、伊那（伊奈）評・諏方（諏訪）評・束間（筑摩）評・安曇（阿曇）評・水内評・高井評・小懸（小県）評・佐久評・科野評（後に更級と埴科に分立）などが成立していたと考えられている。越国に大化3年（647年）に渟足柵が、大化4年（648年）に磐舟柵が作られて科野から柵戸が派遣された。また、斉明天皇6年（660年）12月には、科野国が、蝿の大群が巨坂を西の方向に飛び越えて行ったことを朝廷に報告したとあり、それに先立つ推古天皇35年（627年）5月には、蝿の集団が信濃坂を越えて東の方へ行き、上野国で散り失せるとあることから、蝿に関して対応する特徴的な記述がされている。その後の飛鳥時代には、本多善光の開基による善光寺や長谷寺などが建立され、特に善光寺は諏訪大社と並び今日においても全国的な信仰の拠り所となっている。天武天皇元年（672年）の壬申の乱には、科野の兵が土師馬手らに従い、大海人皇子（天武天皇）の側に立って活躍した。天武天皇14年（685年）には高田新家らに「束間温湯」（つかまのゆ）に行宮（あんぐう）を造らせている。持統天皇5年（691年）の「須波神」「水内神」の勅祭など、科野は大和朝廷にとって注目すべき地の一つであったことが分かる。大宝2年（702年）12月に、始めて美濃国に木曾山道を開くという記述があり、和銅6年（713年）7月には、美濃国と信濃国の国境の道が険阻であり、往還が難しいということで、木曽路が開通している。また、これらの記述の他にも、「信濃路は 今の墾道刈株に 足踏ましなむ 沓はけ我が背」（万葉集 巻14-3399 相聞 東歌）と詠まれており、飛鳥時代の末期からは、信濃国における官道の開発がすすんでいた。養老5年（721年）6月26日に南部を諏方国として分置した。天平3年（731年）3月7日に合併して元に復した。養老3年（719年）以後は美濃按察使の管轄下に置かれた。奈良時代には左馬寮の管轄下で官営による16の勅旨牧と、それを統括するための牧監庁が置かれた。信濃国造の末裔とされる金刺部氏と他田部氏が信濃国内の複数の郡司を務める一方、安曇郡司は安曇部氏が務めた。神護景雲2年（768年）には各々の善行に対して朝廷から褒美を得た全国9人の内に信濃国は水内郡の刑部智麻呂と倉橋部広人や更級郡の建部大垣、伊那郡の他田部舎人千世売と4人までもを占めた。養老4年（720年）に成立した『日本書紀』は信濃国について「是の国、山高く谷幽し。翠き嶺万重れり。人杖倚ひて升り難し。巌嶮しく磴紆りて、長き峯数千、馬頓轡みて進かず」と記している。奈良時代末期から平安時代初期にかけては、信濃国内の高句麗人の改姓が続々と進んだ。延暦8年（789年）に筑摩郡人の外少初位下後部牛養が田河造を、延暦16年（797年）には外從八位下前部綱麻呂が安坂姓を下賜され、これに続くように延暦18年（799年）には、信濃国人の外從六位下卦婁眞老、後部黒足、前部黒麻呂、前部佐根人、下部奈弖麻呂、前部秋足、小縣郡人无位上部豊人、下部文代、高麗家繼、高麗繼楯、前部貞麻呂、上部色布知等が、自分たちの先祖が飛鳥時代に帰化していることと天平勝宝9年（757年）4月4日の勅令を根拠として、自らの高句麗人の姓を日本人の姓に改めたいと朝廷に請願した結果、卦婁眞老等は須須岐姓、後部黒足等は豊岡姓、前部黒麻呂は村上姓、前部秋足等は篠井姓、上部豊人等は玉川姓、下部文代等は清岡姓。高麗家繼等は御井姓。前部貞麻呂は朝治姓。上部色布知は玉井姓をそれぞれ下賜された。弘仁8年（817年）には最澄が東山道神坂峠の信濃側に広拯院を建立した。初期荘園の立荘と並行して、仁和元年（885年）には公営田の設置が見られた。同4年（888年）には前年に発生した仁和地震の影響により千曲川が「仁和大水」と言われる大洪水を起こした。また、信濃国は罪人の配所に定められ、中流の範囲とされた。平安時代の中期には桓武平氏の平将門が、東山道を京に向かう平貞盛に追撃の兵を差し向け、小県郡国分寺付近で貞盛に助勢した滋野氏や小県郡の郡司他田氏と合戦に及ぶなど（938年2月29日）、この時代における平氏内紛の舞台ともなった。また清和源氏は経基王以来、信濃守に任官される者が多く、源氏の土着が相次いで見られた（信濃源氏）。この頃には古今和歌集や大和物語集、今昔物語集によって信濃に姨捨伝説の存在することが知られ月見の名所としても姨捨の名を高める。古代の律令体制から中世の権門体制に移行する中で、院政の時代になると、院宮分国制の進展により白河法皇や鳥羽法皇の知行国となり、その後は公卿に引き継がれた。11世紀後半以降には最高権力者である院や摂関家への寄進地系荘園の立荘が本格化し、国衙領は縮小する傾向にあった。平安時代末期に入ると、源氏内紛による久寿2年（1155年）の大蔵合戦で敗れた河内源氏源義賢の遺児源義仲が木曾谷の中原兼遠の元に匿われた。保元元年（1156年）の保元の乱、平治元年（1159年）の平治の乱に際して、滋野氏、諏訪氏、片桐氏、平賀氏など多くの信濃武士は、源義賢と敵対した兄の源義朝に従った。ただし、崇徳上皇の近臣であった村上氏は、信濃に所領を持つ伊勢平氏の平家弘らと共に上皇方についた。後白河法皇の第三皇子以仁王は信濃を含む東山・東海・北陸道の武士に平家追討の令旨を発し、源行家によって、新羅三郎源義光の子孫である平賀盛義・義信父子（平賀冠者）、岡田親義（岡田冠者）、そして源（木曾）義仲に伝えられた（『平家物語』）。義仲は信濃の兵を統べて挙兵し、横田河原の戦いで平氏の軍勢を破ると、以仁王の遺児北陸宮を奉じて北陸道経由で入洛したが、この動きに対し、源義朝の嫡男源頼朝は北条時政をして伊那や諏訪の武士を糾合させ、黄瀬川の戦いに出陣させた。村上氏、平賀氏らも頼朝に従った。その後、義仲は西国の平家追討のため京を離れたが水島の戦いで敗れ、さらに上洛した頼朝の弟範頼、義経らに近江国で討伐された（粟津の戦い）。平安時代から鎌倉時代に、美濃国から木曽地方を編入し、筑摩郡の一部としたが、その正確な時期は不明。