Η αρχαία Έδεσσα υπήρξε μία σημαντική πόλη της Μακεδονίας, κτισμένη πάνω στο σημαντικότερο φυσικό πέρασμα, που συνέδεε την άνω ορεινή με την κάτω πεδινή Μακεδονία.

Η πόλη απλωνόταν σε δύο επίπεδα: Η Ακρόπολη βρισκόταν στην άκρη του βράχου της σύγχρονης Έδεσσας, ενώ η κάτω πόλη στους πρόποδες του βράχου στην πεδιάδα, που φέρει την ονομασία Λόγγος. Η αστική οργάνωση της ολοκληρώθηκε τον 4ο αι. π.Χ., οπότε και αναφέρεται σε επιγραφικά κείμενα της πόλης.

Κατά τη διάρκεια των ρωμαϊκών χρόνων, η πόλη απολαμβάνει τα ευεργετήματα της Pax Romana. Κόβει νομίσματα, στον εμπροσθότυπο των οποίων υπάρχουν οι προτομές των αυτοκρατόρων και πίσω καθιστή η θεά Ρώμη, που στεφανώνεται από την πόλη της Έδεσσας.

Από τις επιγραφικές μαρτυρίες, κυρίως, είναι γνωστό ότι στην πόλη υπήρχε βουλευτήριο, γυμνάσιο, θέατρο και ναοί για τη λατρεία του Δία Ύψιστου, του Διόνυσου, της Άρτεμης, της Μητέρας των Θεών και της Μας. Από το ναό της τελευταίας θεότητας διασώζονται αρχιτεκτονικά μέλη, που είναι κατάγραφα με απελευθερωτικές επιγραφές δούλων.

Το β΄μισό του 3ου αι. μ.Χ., εξαιτίας των βαρβαρικών επιδρομών παρατηρούνται εκτεταμένες επιδιορθώσεις του τείχους. Κατά τη διάρκεια των παλαιοχριστιανικών χρόνων, η Έδεσσα εξακολουθεί να αναφέρεται ως civitas στις αρχαίες πηγές, ενώ, το 479 μ.Χ., αποτέλεσε την έδρα των βυζαντινών στρατιωτικών δυνάμεων στις πολεμικές επιχειρήσεις εναντίον των Γότθων. Οι επιδρομές των Αβαροσλάβων τον επόμενο αιώνα, σε συνδυασμό με μία σειρά από φυσικές καταστροφές πρέπει να υπήρξαν η αφορμή για τη σταδιακή εγκατάλειψη της Κάτω πόλης, για τον περιορισμό της κατοίκησης στην περιοχή της Ακρόπολης.

Κατά τα μεσοβυζαντινά χρόνια η ακρόπολη είχε μετατραπεί σε ένα από τα πιο καλά οχυρωμένα κάστρα της περιοχής, το «Θεοφρούρητο κάστρο των Βοδενών». Έλεγχε τη σημαντική δίοδο από την πεδιάδα της Κεντρικής Μακεδονίας προς τις ορεινές περιοχές και τη Δυτική Μακεδονία, αλλά και βόρεια, προς την Αλμωπία. Αποτελούσε τμήμα του βυζαντινού οχυρωματικού δικτύου της Μακεδονίας και, μαζί με τα γειτονικά κάστρα της Βέροιας, των Σερβίων, του Οστροβού, των Μογλενών, της Καστοριάς κ.ά., διαδραμάτισε σημαντικό ρόλο στον βυζαντινοβουλγαρικό πόλεμο (976-1018 μ.Χ.), μεταξύ του αυτοκράτορα Βασιλείου Β? και του αντιπάλου του, Σαμουήλ. Το 1015 μ.Χ., ο αυτοκράτορας κατέλαβε τα Βοδενά και εγκατέστησε επίλεκτη βυζαντινή φρουρά, τους «κονταράτους». Αργότερα, το κάστρο αναφέρεται στους πολέμους του Ιωάννη Καντακουζηνού με τον Σέρβο ηγεμόνα Στέφανο Δουσάν, οπότε το 1350 ο αυτοκράτορας πολιόρκησε και κατέλαβε τα Βοδενά, γεγονός που είχε σπουδαία απήχηση, καθώς, μετά την είδηση της άλωσης, τα γειτονικά κάστρα και πολίσματα παραδόθηκαν χωρίς μάχη. Τα Βοδενά βρέθηκαν εκ νέου υπό Σερβική διοίκηση έως το τέλος του 14ου αι., οπότε κυριεύθηκαν από τους Οθωμανούς, πιθανότατα μεταξύ των ετών 1385-1389, κατάκτηση που συνδέεται με τις επιχειρήσεις του Γαζή Εβρενός στην περιοχή.

Από τα βυζαντινά Βοδενά πολύ λίγα στοιχεία έχουν εντοπιστεί, κυρίως κάποια τμήματα της οχύρωσης, καθώς και εκτεταμένα κοιμητήρια. Αιτία θεωρείται ο ισχυρότατος σεισμός και η επακόλουθη πλημμύρα που έπληξαν το κάστρο, το έτος 1395/96 μ.Χ. Από τα μνημεία της εποχής αυτής διατηρήθηκαν, με πολλές όμως μεταγενέστερες επισκευές, οι ναοί της Κοίμησης της Θεοτόκου (Αγία Σοφία- Παλαιά Μητρόπολη) και των Αποστόλων Πέτρου και Παύλου. Σταδιακά, η περιοχή που κατελάμβανε το κάστρο μετατράπηκε στην πρώτη χριστιανική συνοικία της πόλης, το Βαρόσι, οπότε ο αρχικός αμυντικός χαρακτήρας του υποβιβάστηκε, ιδιαίτερα με την κατεδάφιση των τειχών από τους Τούρκους. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ως συγκροτημένο πολεοδομικό σύνολο με κλειστά οικοδομικά τετράγωνα και ενιαίο μέτωπο κατοικιών.