Sembra che la prima citazione della città di Serdica sia stata fatta da Tolomeo attorno alla fine del I secolo. La città di Serdica era di ampie dimensioni, munita da mura e torri, terme, edifici amministrativi e di culto, una grande basilica, anfiteatro, un grande foro, un circo ed un teatro.
Quando l'imperatore Diocleziano divise le province di Mesie in Dacia ripensis e Dacia mediterranea, Serdica divenne la capitale di quest'ultima provincia. La città continuò ad ampliarsi per il secolo e mezzo successivo, divenendo un importante centro politico, economico e sede del governo imperiale. In questa città fu riconosciuto il cristianesimo come religione lecita al tempo dell'Imperatore Galerio (Editto di Galerio del 30 aprile del 311[2]), che qui nacque (attorno al 250) e morì (il 5 maggio del 311).
La città fu distrutta dagli Unni di Hormidac attorno al 466/467, i quali erano riusciti ad entrarvi prima che i difensori potessero chiuderne le porte.
Nel 547 fu ricostruita dall'Imperatore bizantinoGiustiniano I, che la circondò di grandi mura i cui resti sono ancora visibili oggi. Pochi anni più tardi vi morì Germano Giustino, nel 551 dopo aver difeso le province danubiane da un'invasione di Slavi. Nell'807 le forze bulgare sconfissero l'esercito bizantino nella valle dello Strimone. Due anni dopo, nell'809, Krumassediò e costrinse alla resa la città, uccidendo la guarnigione bizantina di 6.000 uomini malgrado avesse promesso loro un salvacondotto. Ciò provocò la reazione dell'imperatore Niceforo I, il quale rinforzò i confini facendo insediare nelle zone limitrofe popolazioni dell'Anatolia e tentò, senza riuscirvi, di riprendere Serdica. In seguito a questi eventi il nome della città mutò in Triaditsa o Sredets.
Il nome attuale, "Sofia", risale al Medioevo, anche se non è possibile indicare una data precisa per il suo primo utilizzo. Nel XVI secolo, "Sredets" e "Sofia" erano usati contemporaneamente. Nel 1382 la città fu conquistata dai turchi e per oltre quattro secoli fu la residenza del Beylerbey, il governatore generale della Rumelia. Nel 1878 fu scelta come capitale del Principato di Bulgaria, che divenne Regno di Bulgaria nel 1908.
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Piantina dell'antica città fortificata di Serdica in epoca romana.