Portoferraio è una cittadina ricca di storia, fra le più antiche dell'isola. Le sue origini risalgono ai liguri, agli etruschi e ai greci prima di diventare una colonia romana con il nome di Fabricia. In quel periodo, intorno al I secolo d.C., lungo le coste dell'Elba si incrociavano le principali rotte commerciali: vino italico diretto ad Occidente, salse di pesce, olio e grano. Tutti prodotti che da Spagna, Gallia e Africa giungevano ai mercati italici in età imperiale. L'attuale Portoferraio fu edificata nel 1548, sul luogo dell'antica Fabricia romana, per volontà di Cosimo I de Medici granduca di Toscana che fece ricostruire e fortificare la città rasa al suolo dai saraceni. In suo onore la città fu inizialmente ribattezzata Cosmopolis e fu concepita come presidio militare con lo scopo di difendere le coste del Granducato e dell'Isola d'Elba, un quadrante di mare molto importante e nevralgico per le comunicazioni navali nell'alto Mediterraneo. La piazzaforte fu impostata su quattro capisaldi: il Forte Falcone, il Forte Stella, la Torre della Linguella e la bellissima cinta muraria, i cui resti circondano il centro storico di Portoferraio. Il nome attuale si compone di "porto" e "ferraio" da ferrum, ossia ferro, in riferimento al trasporto di questo materiale dalle miniere elbane al continente, di cui Portoferraio divenne il porto principale durante il regno di Napoleone. Intorno al 1556 il nucleo della città poteva considerarsi definito e Cosimo I emanò un editto per il suo popolamento. Alla fine del 1600, il dispositivo militare era completato nelle sue grandi linee, ma le fortificazioni furono ulteriormente potenziate sotto i Lorena, a partire dal 1744.

L'Isola d'Elba si trovò improvvisamente al centro dell'attenzione mondiale quando, con il Trattato di Fontainebleau, nell'aprile del 1814, divenne il piccolo regno di Napoleone Bonaparte. Sarebbe molto riduttivo tracciare un percorso napoleonico limitato alla città di Portoferraio. Tutta l'Elba mostra segni e testimonianze della frenetica attività di governo del grande còrso, nei dieci mesi (3 maggio 1814 - 26 febbraio 1815) del suo "impero" elbano: razionalizzazione dell'attività estrattiva delle zone minerarie, progettazione di un impianto siderurgico, organizzazione di nuove strutture ospedaliere o il potenziamento delle vecchie, cura e selezione dei vitigni, introduzione di colture inusitate all'Elba come l'olivo e la patata, miglioramento della viabilità. Ma è a Portoferraio che rimangono ben conservate le testimonianze più concrete e visibili della presenza di Napoleone all'Elba. Grazie al regno dell'imperatore francese, seppur breve, Portoferraio crebbe in importanza e modernità in maniera esponenziale, come del resto tutta l'isola, per merito delle infrastrutture create. In seguito, la città tornò sotto il dominio del Granducato di Toscana fino all'unità d'Italia nel 1860.