Η πόλη των Σερρών με αδιάκοπη παρουσία στις πηγές από την πρώιμη αρχαιότητα, αποκτά ιδιαίτερη σημασία κατά τους βυζαντινούς χρόνους. Στην παλαιοχριστιανική εποχή συγκαταλέγεται στον κατάλογο των σπουδαιοτέρων πόλεων της Μακεδονίας και αναφέρεται ως έδρα επισκοπής. Στους μεσοβυζαντινούς χρόνους έγινε έδρα στρατηγού και κατόπιν πρωτεύουσα του θέματος των Σερρών, ενώ από εκκλησιαστικής πλευράς προβιβάστηκε σε μητρόπολη. Η θέση της στο μέσον της εύφορης κοιλάδας του Στρυμόνα και σε κομβικό σημείο μεταξύ της Κωνσταντινούπολης και της Θεσσαλονίκης την ανέδειξαν σε στρατιωτικό και οικονομικό κέντρο της περιοχής. Το 1206 την πόλη κατέλαβε και κατέστρεψε ο Βούλγαρος ηγεμόνας Ιωάννης Ασέν, ο επονομαζόμενος Σκυλογιάννης. Το 1221 περιήλθε στον δεσπότη της Ηπείρου Θεόδωρο ’γγελο Κομνηνό Δούκα, ενώ το 1246 αποτέλεσε τμήμα της αυτοκρατορίας της Νίκαιας. Η περίοδος που ακολούθησε αποτέλεσε περίοδο ανάπτυξης και καλλιτεχνικής άνθισης. Ειδικότερα οι αυτοκράτορες Ανδρόνικος Β΄ Παλαιολόγος και Ανδρόνικος Γ΄ Παλαιολόγος έδειξαν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για την πόλη και την περιοχή. Στις αρχές του 14ου αι. αναφέρεται ως πόλη κραταιά και ευημερούσα. Οι εμφύλιες διαμάχες του 14ου αι. είχαν τον ανάλογο αντίκτυπο και στην πόλη των Σερρών. Πιστή στους Παλαιολόγους βασιλείς αντέταξε σφοδρή αντίσταση, όταν ο Καντακουζηνός πολιόρκησε την πόλη το 1342 μαζί με το σύμμαχό του βασιλιά της Σερβίας Στέφανο Δουσάν. Το 1345 ο Δουσάν, εκμεταλευόμενος τις δυναστικές έριδες για λογαριασμό του, πολιόρκησε και κατέλαβε την πόλη. Η πόλη έμεινε υπό σερβική κατοχή μέχρι και το 1371, όταν την ήττα των σερβικών δυνάμεων από τους Οθωμανούς Τούρκους στο Τζερνομιάνου επωφελήθηκε ο δεσπότης της Θεσσαλονίκης και μετέπειτα αυτοκράτορας Μανουήλ Β΄ Παλαιολόγος και έγινε κύριος της πόλης. Η αποκατάσταση της βυζαντινής εξουσίας ήταν πρόσκαιρη. Η κατάληψη της πόλης από τους Οθωμανούς το 1383, έφερε το οριστικό τέλος της βυζαντινής εποχής, εβδομήντα χρόνια πριν από την άλωση της Κωνσταντινούπολης.

Η βυζαντινή πόλη αναπτύχθηκε στη βάση ενός λόφου που χωρίζεται από τους γύρω ορεινούς όγκους του Μενοικίου Όρους με χαράδρες και ρέματα. Η κορυφή του λόφου αποτελούσε την ακρόπολη. Η πολυκύμαντη ιστορία της πόλης αντανακλάται στην οχύρωσή της. Η πρώτη έμμεση μαρτυρία για την οχύρωσή της ανάγεται στον 10ο αι. Ωστόσο, τα αρχαιολογικά ευρήματα πιστοποιούν ότι η αρχική χάραξη της οχύρωσης είναι παλαιοχριστιανική. Στα 1206 άντεξε για λίγο την πολιορκία του Ιωάννη Ασέν, αλλά στο τέλος υπέκυψε. Ο ίδιος κατέστρεψε τα τείχη της πόλης και της ακρόπολης. Στα μέσα του 13ου αι. η οχύρωση της κάτω πόλης ήταν σε ερειπιώδη κατάσταση και μόνο η ακρόπολη ήταν "περιτειχισμένη και ηυπρεπισμένη δέξασθαι πόλεμον", όπως αναφέρει ο Ακροπολίτης. Στα μέσα του 14ου αι. η οχύρωσή της ενέπνεε ασφάλεια στους τοπικούς άρχοντες, οι οποίοι αντιστάθηκαν στην πολιορκία του Καντακουζηνού σφαγιάζοντας τους πρεσβευτές του. Ο Στέφανος Δουσάν έδειξε ιδιαίτερη μέριμνα για την οχύρωση της ακρόπολης, ο καστροφύλακας του οποίου Ορέστης ανήγειρε τον μεγάλο πύργο στη δυτική πλευρά, ο οποίος με το μέγεθός του δεσπόζει και σήμερα της πόλης.