Prema ranijim saznanjima, na Petrovaradinskoj tvrđavi prvo ljudsko naselje postojalo je još u mlađem kamenom dobu,  4500. godina pre nove ere, ali nakon novih arheoloških otkrića, na samom početku njihovih istraživanja istorija ovog prostora pomerena je na period 19.000-15.000 godina pre nove ere. Zahvaljujući tome znamo da čovek u kontinuitetu nastanjuje prostor Petrovaradinske stene od praistorije do danas, pa čak i paleolitu kada su se ljudska staništa uglavnom nalazila u pećinama. 

Istraživanjem ostataka naselja iz mlađeg bronzanog doba (3000 godina pre nove ere) arheolozi su pronašli i bedeme pojačane koljem i palisadama iz tog perioda koji svedoče da je još u vreme tzv. vučedolske kulture postojalo utvrđeno naselje. 

Posle eneolita na Petrovaradinskoj steni su se smenjivale različite kulture. Oko stote godine pre nove ere ove prostore naseljavaju Kelti koje sto godina kasnije smenjuju Rimljani. U sastavu velikog Rimskog carstva nalazila se samo teritorija desne obale Dunava, dok su prostranstva sa leve strane Dunava naseljavala varvarska plemena sarmatskih Jaziga. Ubrzo Jazigi postaju veoma moćni i sve češće organizuju pljačkaške pohode po Rimskim podunavskim provincijama. Da bi zaštitili svoju granicu, Rimljani su duž desne obale Dunava izgradili niz utvrđenja povezanih u odbrambeni sistem, a jedno od njih bilo je i utvrđenje Kuzum (Cusum) izgrađeno na mestu današnje Petrovaradinske tvrđave koje će u V veku razoriti Huni. Ostaci rimskog Kuzuma danas su prekriveni zidovima Tvrđave, ali je u okolini sačuvano dovoljno istorijskih spomenika iz tog vremena. 

Godina 1235. je glavna prekretnica u istoriji Petrovaradina. Te godine se tu naseljavaju  katolički monasi iz Francuske iz reda "cistercita" (lat. „ordo cisterciensis“). Dozvolom Ugarskog kralja Bele IV grade manastir koji nazivaju Belakut (Belin studenac). Bela IV im je poklonio i  neke posede u Sremu i Backoj, kao i Peturvarad (Petrovaradin) sa kraljevskom palatom i okolinom.

Vremenom, zbog skele preko Dunava i vašara, Petrovaradin postaje sve značajnije naselje. Posle tatarske provale manastir je utvrđen čime je začeta Petrovaradinska tvrđava. Podstrek za njenu izgradnju je bilo i pismo tadašnjeg pape Inocentija IV iz 1247. godine, kojim on poziva ovdašnje nadbiskupe da zaštite zemlju od novih provala Tatara. 

Još veci znacaj Tvrđava dobija povećavanjem opasnosti od novih osvajaca, Turaka Osmanlija.

U Petrovaradinu je često boravio Mađarski kralj Matija Korvin. Tu je 1463. godine sklopio ugovor sa Mletačkom republikom i istovremeno razgovarao sa vlastelom oko odbrane od Turaka. Godine 1475. godine Korvin donosi odluku da zarati sa Turcima. Mađarski kralj Vladislav II takode posećuje Petrovaradin gde raznim olakšicama podstiče napore da se sakupi više radne snage na opravkama kula i bedema. Nadbiskup Petar Varadi 1501. godine uz velike napore uspeva da obnovi Tvrđavu.

Od polovine XVI veka Varadin dobija status kasabe, zbog čega je morao imati odgovarajuće ustanove i objekte islamske uprave. 

Godine 1525. u Petrovaradinskoj tvrđavi bilo je svega 1000 konjanika i 500 pešaka da bi se krajem godine taj broj povećao na 4000 vojnika. Pred opasnošcu od Turaka zapovedništvo nad Petrovaradinom preuzeo je Pavle Timori, raniji zapovednik Budimskog grada. Njegovi zahtevi za pojačanjem u vojsci i novcu se nisu ispunjavali. Umesto pomoći, od kralja Lajoša II stiže samo uputstvo da se sa glavnim snagama prebaci na levu obalu Dunava, a zapovedništvo nad Tvrdavom prepusti Đordu Alapiju. Pod zidine Petrovaradina 13. jula 1526. godine stigla je turska vojska koja je brojala 40.000 ljudi predvođena velikim vezirom Ibrahimom. Sultan Sulejman Veličanstveni se sa glavninom svojih snaga ulogorio kod Iloka. Nakon dvonedeljne opsade 27. jula 1526. godine Turci su uspeli da osvoje Tvrđavu čiji su gotovo svi branioci poginuli. I od polovine XVI veka Varadin dobija status kasabe, zbog čega je morao imati odgovarajuće ustanove i objekte islamske uprave.

 Petrovaradin kao i ogroman deo Ugarske države ostaje pod turskom vlašcu sve do Velikog bečkog rata (1683-1699). Nakon upada u Austriju i neuspele opsade Beča, Turska vojska počinje povlačenje i u nizu poraza napušta većinu gradova kao i Petrovaradin. Time je posle 161 godine pod turskom upravom Petrovaradin ponovo pripao Austrijskoj monarhiji.

Glavnina carske austrijske vojske koju su činili 27 bataljona pešadije i 77 eskadrona konjice stigla je u Petrovaradin 18. jula 1688. godine. U prisustvu ove vojske oko 3000 vojnika određeno je da radi na ojačavanju Tvrđave. Popravljene su samo breše i izgrađen rov sa četiri redute na mestu današnjeg Podgrađa ispred koga je bio rov ispunjen vodom. Takode je podignut i pontonski most. Nakon proterivanja Turaka iz Petrovaradina započinje rušenje stare srednjevekovne tvrđave kako bi se započela izgradnja nove po tada najmodernijem sistemu gradnje fortifikacija.

Želeci da povrate izgubljenu tvdavu Turci započinju nekoliko pohoda. Doživljavaju strahovite poraze u bitkama kod Slankamena 1691. godine i bitke kod Sente 1697. godine. Turci su ponovo došli do Petrovaradinske tvrđave  1694. godine. Veliki vezir Surmeli Ali-paša stigao je iz pravca Beograda pred Petrovaradinsku tvrđavu 9. septembra 1694. godine. Dunavom je plovila turska ratna flotila. Namera je bila da opsadom zauzmu Tvrđavu. Bombardovanje je počelo 12. septembra sa kopna i vode.

Međutim, loše vremenske prilike pomažu braniocima Tvrđave i Petrovaradina. Kiša, vetrovi, velike hladnoće iscrpljivali su Turke. Velika bujica je preplavila turske rovove i odnela šatore. Novonastale neprilike i pojava epidemija među turskom vojskom kao i približavanje predstojeće zime nakon samo 23 dana opsade, naterale su tursku vojsku na povlačenje. 

Katastrofalni porazi Turske vojske stvorili su povoljne uslove za Austrijance na mirovnim pregovorima u Karlovcima 1699. godine. Nastupa period mira u kome se radi na izgradnji i ojačavanju Tvrđave. Prvi plan za izgradnju Tvrdave izradio je inženjerski pukovnik grof Matijas Kajzersfeld, a naredni inženjerski pukovnik grof Luidi Ferdinando Marsilji. Za izvršenje radova bio je zadužen inženjerski pukovnik Mišel Vamberg, a nakon njegove smrti (1703. godine) inženjerski pukovnik Gisenbir do 1728. godine. Tvrđava je polako dobijala svoj oblik. Sagradeni su bastioni, ravelini i kontragarde na gornjoj tvrđavi. Položeni su temelji stalnih objekata. Sagraden je novi mostobran i malo utvrđenje na Velikom ratnom ostrvu. Bedemi donje tvrđave ozidani su 1711. godine. 

Radove prekida izbijanje novog Austrijsko-turskog rata (1716-1718). U nastojanju da izmeni odluke Karlovačkog mira Turska je preduzela pohod na Austriju. Tvrđava ponovo dobija na značaju.

Princ Eugen Savojski došao je u Futog 9. jula 1716. godine sa 42.000 pešaka i 23.000 konjanika. U Petrovaradinskoj tvrđavi se već nalazilo 8.000 vojnika. Tokom 26., 27. i 28. jula Veliki vezir Damad Ali-paša je prešao Savu sa oko 150.000 vojnika. U noći, između 3. i 4. avgusta, glavnina turske vojske stigla je nadomak Petrovaradina, zauzela brda između Karlovaca i Tvrđave i počela da kopa rovove. Da bi izbegao opkoljavanje Tvrđave, Eugen Savojski koji je preuzeo komandu nad austrijskom vojskom, odlučio je da napadne Turke već na tom mestu. Tokom noći izmedu 4. i 5. avgusta Eugen je prebacio svoje trupe na sremsku stranu i u rano jutro napao tursku vojsku. Glavna bitka se odigrala ujutro 5. avgusta, a do 11 časova je bila i rešena. Austrijanci su posle teške borbe uspeli da nateraju tursku vojsku u bekstvo. Veliki turski vezir je poginuo. Postoji nekoliko verzija njegove smrti. Jedna kaže da je videvši bezizlaznu situaciju seo na konja i zajedno sa grupom najodanijih boraca uleteo u srce bitke gde je bio pogođen puščanim metkom, dok je prema drugoj verziji izvršio samoubistvo. Beživotno telo Velikog vezira je preneto u Beogradsku tvrđavu gde je sahranjen. Ova značajna bitka nazvana je Varadinski rat. 

Pošto je granica između Austrije i Turske sa Srema pomerena na centralnu Srbiju, Petrovaradinska tvđava je ostala u pozadini i manje važna. Radovi na izgradnji su usporeni, a zastoj nastaje 1728. godine. Sve do 1753. godine na Tvrđavi se radilo samo ono što je bilo najnužnije. Nijedan započeti objekat nije bio završen. U izveštaju komisije Ratnog saveta iz 1735. godine vidi se da je istočna strana hornverka bila otvorena, a zemljani bedemi donje tvrdave su bili zapušteni i napola srušeni. Predložen je plan da se ovi nedostaci otklone, ali nikakvog pomaka nije bilo. 

Zamašni radovi na Tvrdavi započeti 1753. godine menjaju izgled vodenog grada, gornje tvrđave, mostobrana, "hornverka", ruše se neozidani bedemi "kronverka". Izgrađuju se nove kasarne, barutni magacini, staje, topovske šupe i konjušnice. Ovi radovi rađeni su do 1766. godine.

Vojni inženjer i komandant minerskog korpusa major Šreder započinje 1764. godine planove na izgradnji kontraminskog sistema (Podzemne vojne galerije) ispod "hornverka" u dužini od 16 kilometara. Izradnja kontraminskog sistema potrajala je do 1776. godine. Zvanično, poslednji radovi na izgradnji Tvrđave su obavljeni 1780. godine, ali se sa radovima produžilo do 1790. godine kada Petrovaradinska tvrđava postaje najsavremenije naoružana tvrđava cele Monarhije. Tadašnje njeno naoružanje sastojalo se od 400 artiljerijskih oruda različitog kalibra što je za tadašnje prilike bio izvanredno veliki broj. 

Tvrđava opet dobija na značaju tokom poslednjeg Austro-Turskog rata 1788/91. godine. 

Želeci da pomognu Prvi srpski ustanak, novosađani su zlatnicima platili podmitljive austrijske oficire i uspeli su da iz Petrovaradinske tvrđave prokrijumčare dva topa. 

Nakon propasti Prvog srpskog ustanka, njegov vođa, vožd Đorde Petrović, pored još nekih vođa ustanka bio je zatočen u Petrovaradinskoj tvrđavi. 

Nakon velikih poplava 1827. i 1832. godine u Dunav je potonula mala fortifikacija koja je bila izgrađena na Velikom ratnom ostrvu. 

Revolucionarni događaji koji su zahvatili Austriju 1848. godine nisu zaobišli ni Petrovaradin i Novi Sad. Garnizon Petrovaradinske tvrđave je prišao vođi revolucije Lajošu Košutu. Kontrarevolucionarne jedinice pod komandom Bana Josifa Jelacica ulaskom u Novi Sad 12. juna 1849. godine izazvale su reakciju garnizona koji je otvorio artiljerijsku vatru na grad i gotovo ga potpuno srušile. 

Sve vreme tokom Prvog svetskog rata Petrovaradinska tvrđava je bila u rukama austrijske vojske. Posle prodora srpske vojske u Srem 1914. godine došlo je do hapšenja velikog broja Srba iz Srema. Većina njih je internirana u Petrovaradin i smeštena u već pripremljene logore. U logoru je bilo preko 2000 lica. Neki su optuženi za veleizdaju i izvedeni pred vojni sud. Oni su bili osuđeni na smrt i streljani su na Petrovaradinskoj tvrđavi 14. oktobra 1914. godine. Tri dana kasnije sud je osudio na smrt još 37 ljudi nad kojima je odmah izvršena smrtna kazna.

Petrovaradin je postao jedna od veoma važnih saobraćajnih čvorišta gde su se Austro-ugarske snage prebacivale preko Dunava. Kako je za prebacivanje vojske pontonski most bio nedovoljan, izgrađen je privremeni most na drvenim stubovima tzv. Poćorekov most. Most je imao električno osvetljenje i čuvalo ga je sto vojnika.

Za vreme rata u Petrovaradinu je bio smešten veliki broj zarobljenika sa Balkanskog i Italijanskog fronta. Oni su korišteni kao besplatna radna snaga za izgradnju nasipa na desnoj obali Dunava.

Jedno vreme u Petrovaradinu se nalazila i Ratna komanda protiv Srbije. 

Tek posle proboja Solunskog fronta, 9. novembra 1918. godine, vojska Kraljevine Srbije je stupila na teritoriju Petrovaradina, te je time i Tvrđava došla u njihove ruke. 

Pred Drugi svetski rat, na Petrovaradinskoj tvrđavi, u Petrovaradinu i njegovoj bližoj okolini izgrađen je pojas betonskih bunkera za smeštaj mitraljeza i posade koja ga opslužuje. Slomom i podelom Kraljevine Jugoslavije nakon Aprilskog rata 1941. godine Petrovaradin ulazi u sastav novoformirane Nezavisne države Hrvatske i postaje još jednom granična tvrđava, ovog puta prema Bačkoj koja je bila pod okupacijom Mađarske. Tvrđavu odmah zaposedaju ustaške jedinice kao i domobrani kao regularna vojska Nezavisne države Hrvatske. Njima su se pridružile i nemačke jedinice protivavionske artiljerije kao i komanda SS trupa. Na tvrđavi je bila smeštena i pilotska škola. Iz Petrovaradinske tvrđave pokretan je veći broj bezuspešnih operacija kako bi se uništile Partizanske snage na Fruškoj Gori. Petrovaradinska tvrđava oslobođena je 23. oktobra 1944. godine, jedan čas nakon ponoći.