Tonnerre apparaît à l’époque romaine sous le nom de Tornodurum, « forteresse ». Pour les Lingons, elle était le capitale du Pagus tornodorensis. Ici, sur la vallée de l’Armançon, s’est créé le Comté de Tonnerre, qui a servi de point de passage entre Paris et Dijon, à l’époque où le roi de France avait des visées sur le duché de Bourgogne.

Les étymologies de Tonnerre viendraient, pour l’époque celte, de Torn, dérivant de l’appellation d’une obscure divinité locale ; d’autres la rapportent à Douros : forteresse, enfin une autre dénomination correspondrait à Dour en liaison avec un lieu près du torrent. Il est également possible que les trois solutions se rejoignent en une seule : un lieu divinisé (1782, mise au jour des cavités contenant armes et ornements, monnaies et bijoux liés au culte de divinités).

La forteresse dominant Tonnerre se serait située sur les lieux « Mont Bellant » et « Vieux Châteaux » livrant de nombreux vestiges antiques.
Quant à la « source divinisée », le vestige en est d’une évidence flagrante, puisqu’il s’agit de la Fosse Dionne.

En 2005, des recherches au lieu-dit Les Petits Ovis ont permis de découvrir que le site était occupé par une nécropole datant de la fin de l’âge du Bronze et un habitat aggloméré datant du second âge du fer. Au lieu-dit « Terre de Vauplaine », des inhumations et des incinérations, datant de la période située entre l’âge du bronze et l’âge du fer, ont été mises au jour. Un établissement rural gallo-romain, connu mais mal localisé, a pu être circonscrit.

Au cours de cette période, de nombreux ateliers de tanneurs sont apparus le long de l’Armançon ou près de la Fosse Dionne pour travailler les peaux.

La dynastie comtale autochtone

Tonnerre est le siège d’un comté depuis le milieu du Xe siècle. Il administre le rebord occidental du vaste évêché de Langres.
Plusieurs membres de la famille comtale se hisseront à la tête de cet évêché. Il pourrait avoir eu dans son giron la région de Bar-sur-Seine.
Les comtes, connus par les chartes de l’abbaye Saint-Michel, portent le prénom de Miles. Au XIe siècle, les successions se font plus chaotiques.

Un vicomte de Tonnerre apparaît au début de ce siècle. En droit, cela signifie que le titulaire du comté dispose d’un droit comtal autre que celui de Tonnerre, ce qui impose l’établissement d’un vicomte (même problématique qu’à Joigny en 1080).
Ce vicomte est à l’origine de la famille de Rougemont.

La dernière héritière de cette première dynastie épouse, au milieu du XIe siècle, Guillaume, comte de Nevers et d’Auxerre, quand celui-ci se relève très difficilement de la tutelle de son oncle le duc de Bourgogne qui avait tué son père. Sa sœur cadette, en épousant un fils du comte de Brienne, provoque la séparation définitive de Tonnerre du comté de Bar-sur-Seine.

La dynastie comtale de Nevers-Auxerre (1045-1193)

Guillaume de Nevers administre longuement le comté. Un prévôt devient le représentant de son administration pour le Tonnerrois. La tendance à l’hérédité est un aveu de faiblesse comtale.
Le fils cadet de Guillaume a failli faire émerger à nouveau un comté autonome. Le comté servira fréquemment de douaire aux comtesses douairières. Des féodaux étalent leur puissance dans le comté : Argenteuil, Rougemont.
Certains se hissent au rang de vicomte quand les princes font émerger des vicomtés sur des axes commerciaux à la jointure de leurs principautés (Ligny-le-Châtel vers 1120). Ce phénomène touche d’autres contrées de la principauté.

Les sires de Noyers-sur-Serein échappent très tôt à l’autorité comtale, et bâtissent une puissante seigneurie indépendante en franc-alleu, à la lisière du comté d’Auxerre et de l’ancien comté d’Avallon.
La féodalisation atteint sa plénitude classique. Pour autant, la ville de Tonnerre se développe. Elle se dote de deux paroisses : Notre-Dame et Saint-Pierre. L’abbaye Saint-Michel fait face au château, de l’autre côté du vallon.
Les comtes tenteront tardivement et avec un succès relatif de reprendre la main sur leurs grands féodaux. Ils ne parviendront qu’à leur imposer un partage successoral (Toucy, vers 1170). Le Tonnerrois est durablement et profondément féodalisé.

La dynastie comtale des Courtenay

De la fin du XIIe siècle au milieu du XIIIe siècle, Tonnerre vit dans le giron du comté de Nevers-Auxerre et Tonnerre. Ce vaste ensemble est de fait abandonné quand le chef du lignage se hasarde sans profit en Orient (empire de Constantinople). Copiant une institution mise en place en 1184 dans le domaine royal, ce comte institue un bailli. Mais comme en Champagne, ce nouvel agent est nettement moins efficace que son confrère de Sens. Il gère à la fois les baillies d’Auxerre et de Tonnerre. Il ne contrarie pas les féodaux locaux. Les heurts avec l’évêque d’Auxerre et la révolte d’Hervé de Donzy humilient le comte Pierre de Courtenay.

Un cadet de la famille de Courtenay prend place à la tête de la seigneurie de Tanlay.

La dynastie comtale des Chalon (1308-1463)

Au milieu du XIIIe siècle, une comtesse de Tonnerre épouse le roi de Sicile. Elle fonde le Grand Hôtel-Dieu : le plus grand monument civil de Bourgogne.

La famille de Chalon parvient à participer au partage de la principauté et se fait remettre le comté de Tonnerre.

En prélude de la seconde phase de la guerre de Cent Ans, le comte de Tonnerre enlève une fille d’honneur de la duchesse de Bourgogne. Jean Sans Peur saute sur ce prétexte pour mener une guerre à outrance contre le comte de Tonnerre. Malgré la disproportion des forces, le comte de Tonnerre parvient à retarder l’échéance de sa ruine. mais ce combat désespéré a un prix : le Tonnerrois est ravagé. Les féodaux qui ont suivi leur suzerain naturel sont spoliés par des nobles bourguignons accourus à la curée. La guerre entre Armagnacs et Bourguignons sera de peu postérieure (1411). Tonnerre reste au pouvoir du duc de Bourgogne. Pendant ce XVe siècle, la ville gagne des institutions fiscales : la recette des Aides et l’Élection.

Elle constitue le chef-lieu du district de Tonnerre de 1790 à 1795 et de l’arrondissement de Tonnerre de 1800 à 1926.

La ville a été victime des bombardements allemands en juin 1940, puis des anglo-américains le 25 mai 1944 qui firent quatorze morts en touchant l’église Notre-Dame.