In der Stadt Braunschweig wird bereits im Jahr 1408 im sog. Ordinarius (eine Rechtsschrift zu den Aufgaben des Rates) ein Urkundenarchiv sowie eine eisenbeschlagene Kiste, die archivwürdige Schriftstücke des Weichbildes Altstadt enthielt, beschrieben. Da neben der Altstadt noch vier weitere selbständige Weichbilde und der gemeine Rat als übergreifende Instanz mit jeweils einer eigenen Registratur existierten, ist im Mittelalter mindestens an sechs verschiedenen Orten des heutigen Stadtgebietes eine archivalische Überlieferung organisch gewachsen.

Im Jahr 1671 nach der Eroberung der Stadt durch den braunschweig-lüneburgischen Herzog wurde ein großer Teil der städtischen Archivalien beschlagnahmt und in der damaligen Residenzstadt Wolfenbüttel untergebracht. Die in Braunschweig verbliebenen Archivalien wurden auf herzogliche Anordnung in der Münze am Kohlmarkt vereinigt und von dort 1717 in das Neustadtrathaus umgelagert. Während der französischen Besatzungszeit von 1808 bis 1813 geriet die archivalische Überlieferung in einen desolaten Zustand, da die französischen Besatzungsbehörden dem historischen Schriftgut nur geringe Bedeutung beimaßen. Eine Änderung der unzureichenden Verhältnisse trat erst durch die Einführung der kommunalen Selbstverwaltung im Jahr 1825 ein. Dem damaligen Magistratsdirektor Wilhelm Bode war es zu verdanken, dass ein Teil der 1671 entfremdeten Archivalien wieder nach Braunschweig zurückgelangte und eine erste Sichtung der Bestände stattfand. 1836 wurden sämtliche vorhandenen Archivalien im Kreuzgang der Brüdernkirche untergebracht.

Mit den Vorbereitungen des 1000-jährigen Stadtjubiläums in den 50er Jahren des 19. Jahrhunderts begann auch das Interesse an der geschichtlichen Entwicklung der Stadt zu wachsen. Anfang 1860 wurde ein "Archivverein" ins Leben gerufen, der sich mit der Veröffentlichung der wichtigsten Urkunden und der Gründung eines Archivs befasste. Am 1. März 1860 beschloss die Stadtverordnetenversammlung die städtischen Archivalien ordnen und eine vollständige Beständeübersicht anfertigen zu lassen, wofür zunächst 200 Taler pro Jahr bereitgestellt wurden. Mit der Aufgabe betraut wurde Ludwig Hänselmann, ein Mitglied des Archivvereins, der somit als erster hauptamtlicher Archivar der Stadt Braunschweig anzusehen ist. Als offizielles Gründungsdatum des Stadtarchivs, dem in der Folgezeit noch eine wissenschaftliche Bibliothek und ein stadtgeschichtliches Museum angegliedert wurden, gilt seitdem der 1. März 1860. Im Jahr 1863 erfolgte der Umzug der städtischen Archivalien aus dem Provisorium in der Brüdernkirche in das für archivische Zwecke hergerichtete Neustadtrathaus. Von dort aus zogen Stadtarchiv und Stadtbibliothek im Frühjahr 1910 in ein neu errichtetes Gebäude am Steintorwall 15 um.

Die Ereignisse des 2. Weltkriegs haben die Archivarbeit sehr erschwert, zeitweise ganz verhindert. Vom April 1942 bis März 1944 wurden fast 3/4 der Archivalien in die nähere Umgebung Braunschweigs ausgelagert, wodurch das Archivgut vor größerem Schaden bewahrt werden konnte. Im August 1944 erfolgte dann die Schließung von Stadtarchiv und Stadtbibliothek. Eine Wiedereröffnung nach Kriegsende blieb zunächst aus, da die kaufmännische Abteilung der ausgebombten Stadtwerke das Hauptgeschoss des Archiv- und Bibliotheksgebäudes mit dem Lesesaal bis Herbst 1949 in Anspruch nahm. Nach Renovierungsarbeiten konnte dieser Gebäudeteil ab dem 12. Juni 1953 und weitere neue Diensträume des Stadtarchiv im Erdgeschoss ab dem 11. Mai 1953 wieder in Benutzung genommen werden.

Die organisatorische Trennung von Stadtarchiv und Stadtbibliothek geschah am 01. Januar 1981, indem die Stadtbibliothek mit der Öffentlichen Bücherei vereinigt wurde und das Stadtarchiv die institutionelle Selbständigkeit erhielt. Die räumliche Trennung von der Bibliothek erfolgte 1985 durch den Umzug des Archivs in das Nebengebäude Löwenwall 18 B.

Seit Sommer 2007 ist das Stadtarchiv im wiedererrichteten Braunschweiger Schloss untergebracht. Mit klimatisierten Magazinräumen und einem modern ausgestatteten Lesesaal verfügt das Archiv damit über deutlich verbesserte Bedingungen