A cidade foi, sucessivamente, capital da colônia portuguesa do Estado do Brasil (1763-1815), depois do Reino Unido de Portugal, Brasil e Algarves (1815-1822), do Império do Brasil (1822-1889) e da República dos Estados Unidos do Brasil (1889-1968) até 1960, quando a sede do governo foi transferida definitivamente para a recém-construída Brasília.
O litoral do atual estado do Rio de Janeiro era habitado por índios do tronco linguístico macro-jê há milhares de anos. Por volta do ano 1000, a região foi conquistada por povos de língua tupi procedentes da Amazônia. Um destes povos, os tamoios, também conhecidos como tupinambás, ocupava a região ao redor da Baía de Guanabara no século XVI, quando os portugueses chegaram à região.
A Baía de Guanabara, à margem da qual a cidade foi fundada, foi descoberta pelo explorador português Gaspar de Lemos em 1 de janeiro de 1502. No entanto, em 1 de novembro de 1555, os franceses, capitaneados por Nicolas Durand de Villegagnon, apossaram-se da Baía da Guanabara, estabelecendo uma colônia na ilha de Sergipe (atual ilha de Villegagnon). Lá, ergueram o Forte Coligny, enquanto consolidavam alianças com os índios tupinambás locais. Enquanto isso, os portugueses se aliaram a um grupo indígena rival dos tupinambás, os temiminós e foi com o auxílio destes que atacaram e destruíram a colônia francesa em 1560. Os franceses só foram completamente expulsos da região pelos portugueses em 1567.
Persistindo a presença francesa na região, os portugueses, sob o comando de Estácio de Sá, acompanhado por um grupo de fundadores incluindo também D. Antônio de Mariz, desembarcaram num istmo entre o Morro Cara de Cão e o Morro do Pão de Açúcar, fundando, a 1 de março de 1565, a cidade de "São Sebastião do Rio de Janeiro". Uma vez conquistado o território, em uma pequena praia protegida pelo Morro do Pão de Açúcar, edificaram uma fortificação de faxina e terra, o embrião da Fortaleza de São João.
A expulsão e derrota definitiva dos franceses e seus aliados indígenas, no entanto, só se deu em janeiro de 1567. A vitória de Estácio de Sá, subjugando elementos remanescentes franceses (os quais, aliados aos tamoios, dedicavam-se ao comércio e ameaçavam o domínio português na costa do Brasil), garantiu a posse do Rio de Janeiro, rechaçando, a partir daí, novas tentativas de invasões estrangeiras e expandindo, à custa de guerras, seu domínio sobre as ilhas e o continente. A povoação foi refundada no alto do antigo Morro do Castelo, que se localizava no atual centro da cidade. O morro foi removido em 1922 como parte de uma reforma urbanística. O novo povoado marcou o começo de fato da expansão da cidade.
Durante quase todo o século XVII, a cidade acenou com um desenvolvimento lento. Uma rede de pequenas ruelas conectava entre si as igrejas, ligando-as ao Paço e ao Mercado do Peixe, à beira do cais. A partir delas, nasceram as principais ruas do atual Centro. Com cerca de 30.000 habitantes na segunda metade do século XVII, o Rio de Janeiro tornara-se a cidade mais populosa do Brasil, passando a ter importância fundamental para o domínio colonial.
Em 1763, o ministro português Marquês de Pombal transferiu a sede da colônia de Salvador para o Rio de Janeiro.
A vinda da corte portuguesa, em 1808, marcaria profundamente a cidade, então convertida no centro de decisão do Império Português, debilitado com as guerras napoleônicas. Após a Abertura dos Portos, tornou-se um proeminente centro comercial. Nos primeiros decênios, foram criados diversos estabelecimentos de ensino, como a Academia Militar, a Escola Real de Ciências, Artes e Ofícios e a Academia Imperial de Belas Artes, além da Biblioteca Nacional - com o maior acervo da América Latina - e o Jardim Botânico. O primeiro jornal impresso do Brasil, a Gazeta do Rio de Janeiro, entrou em circulação nesse período. Foi a única cidade no mundo a sediar um império europeu fora da Europa.
Após a Independência do Brasil (1822), a cidade tornou-se a capital do Império do Brasil, enquanto a província enriquecia com a agricultura canavieira da região de Campos e, principalmente, com o novo cultivo do café no Vale do Paraíba. Em 1823, o Rio de Janeiro recebeu o título de Muito Leal e Heroica por carta imperial de D. Pedro I, por seus habitantes terem apoiado o então príncipe regente em sua decisão de permanecer no Brasil, no que viria ser conhecido como Dia do Fico. De modo a separar a província da capital do Império, a cidade foi convertida, no ano de 1834, em Município Neutro, passando a província do Rio de Janeiro a ter Niterói como capital.
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