La storia della città risale all'Impero Romano. I romani iniziarono un campo militare chiamato Vindobona. L'accampamento si trovava nel primo distretto di oggi sul fiume Danubio. Il nome veniva dai Celti, quindi c'era probabilmente un insediamento celtico prima dell'invasione romana. I romani rimasero fino al V secolo. Nel medioevo l'insediamento era ancora in uso. Il nome attuale fu menzionato nell'881 nei Salzburger Annalen, dove viene menzionata una battaglia ad weniam.
Nel 976 la casa di Babenberg divenne governante della zona. Essi fecero di Vienna la loro capitale nel 1155. Vienna era già una città importante. Nel 1156, l'Austria divenne un ducato, e Vienna era il luogo dove viveva il duca che governava il ducato. Nel 1221, Vienna ottenne i diritti comunali. È la seconda città più antica dell'Austria (Enns, in Alta Austria, è la più antica).
Nel 1278 il ducato passò agli Asburgo. Rodolfo IV iniziò l'università nel 1365 e mentre era duca fu costruita la navata della cattedrale gotica di Santo Stefano. I litigi all'interno della famiglia Asburgo causarono un declino economico a Vienna. Nel 1438, Vienna divenne la residenza del Sacro Romano Imperatore.
Al tempo della Riforma Vienna era una città protestante, ma ai tempi della Controriforma l'Austria e Vienna erano per lo più cattoliche.
Nel 1529, Vienna fu assediata per la prima volta dall'esercito dell'Impero Ottomano, che aveva un confine a soli 150 km a est di Vienna. Questo danneggiò Vienna economicamente, ma portò la gente a fortificare la città (rendendola più forte). Dopo un secondo assedio, l'Impero Ottomano non riuscì a prendere Vienna, e la città iniziò a diventare più grande.
Durante l'epoca barocca, Vienna fu ricostruita. Furono costruite molte residenze per la nobiltà. Johann Bernhard Fischer von Erlach fu un importante architetto di Vienna.
Alla fine del XVIII e all'inizio del XIX secolo Vienna fu la patria di importanti compositori come Haydn, Mozart, Beethoven, Schubert.
Dopo la rivoluzione del 1848 Francesco Giuseppe I divenne imperatore dell'Impero austriaco, che fu fondato nel 1806 dopo la liquidazione del Sacro Romano Impero. Regnò fino al 1916. Vienna divenne un centro di arti, cultura e architettura. La città crebbe perché i sobborghi divennero parte della città. Dopo il 1858 le mura della città furono distrutte e la Ringstraße le sostituì. Lungo quella strada furono costruite le case dei cittadini ricchi, così come gli edifici pubblici come il municipio e il teatro Burg. L'industrializzazione cominciò all'inizio del secolo e fece sì che più persone vi abitassero. Nel 1870 Vienna aveva un milione di abitanti e nel 1910 due milioni. Con la creazione di una grande classe operaia e la povertà a Vienna il Partito del Lavoro (Sozialdemokratische Arbeiterpartei) divenne più forte.
Karl Lueger fu il sindaco più importante ai tempi dell'imperatore Francesco Giuseppe. Durante il suo tempo furono realizzati importanti progetti comunitari che fecero di Vienna una città moderna. Tuttavia, Lueger era un antisemita radicale. Era ammirato dal giovane Adolf Hitler, che trascorse alcuni anni prima della prima guerra mondiale a Vienna. A quel tempo, Vienna era un luogo importante per le arti. Compositori come Arnold Schönberg, Anton Webern, Alban Berg e Ernst Krenek furono importanti per lo sviluppo della musica moderna. Anche la psicoanalisi fu fondata a Vienna da Sigmund Freud. Anche il cosiddetto Jugendstil nelle arti faceva parte della scena artistica moderna di Vienna. I padri fondatori dell'architettura moderna vissero e lavorarono anche a Vienna in questo periodo (Otto Wagner, Adolf Loos)
Dopo la fine della primaguerramondiale l'impero austro-ungarico fu sciolto e Vienna divenne la capitale della Repubblica d'Austria. Nel 1938 l'Austria fu occupata dalla Germania. A Vienna iniziarono le sofferenze degli abitanti ebrei. Molte delle loro proprietà furono date agli austriaci (Arisierung).
Dopo la seconda guerra mondiale, che distrusse il 20% degli edifici di Vienna, Vienna fu divisa in quattro parti. La città fu controllata dagli alleati come le altre parti dell'Austria. Nel 1955 il trattato di stato tra gli alleati e l'Austria fu firmato nel Belvedere di Vienna. Dopo di che Vienna divenne una città importante per le organizzazioni internazionali. La prima fu nel 1957 l'Organizzazione Internazionale dell'Energia Atomica (IAEO) e nel 1965 l'OPEC. Nel 1980 fu aperto il Vienna International Center e Vienna è ora la terza città dell'ONU insieme a New York e Ginevra.
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Resti del sistema di riscaldamento in una casa romana a Vienna
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Cattedrale di Santo Stefano
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Ringstraße e Parlamento intorno al 1900
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Karl-Marx-Hof è uno dei più noti Gemeindebauten (complessi di case popolari) di Vienna