Catania è di origine greca. La città di Katane (in greco Kατάvη) secondo Tucidite VI, 3 e Strabone VI, 268, fu fondata dai Calcidesi, venuti da Eubea in Sicilia, guidati da Tuclee salpati da Naxos, tra il 729 e il 728 a. C., cinque anni dopo la fondazione di Siracusa.
Si sa pochissimo sul primo periodo della sua storia. Vi soggiornarono Senofane da Colofone (tra i fondatori della scuola eleatica) e i poeti Ibico e Stesicoro.
Katane venne conquistata da Ippocrate di Gela agli inizi del V secolo a. C.
Jerone Siracusano nel 476 a. C. espulse da Catania tutti i cittadini che egli mandò in Leontini, e la ripopolò con 10000 coloni in parte Siracusani e in parte Peloponnesiaci, cambiandole il nome di Catania in quello di Aitna (Etna). Con questo nome fu chianata nella Pitica I di Pindaro, scritta in onore di Gerone, e nella tragedia perduta di Eschilo, rappresentata per l'occasione (Le Etnee).
Dopo la morte di Jerone, Ducezio costrinse gli abitanti a trasferirsi a Inessa (che assunse allora a sua volta il nome di Etna, situata dalle parti della moderna Paternò) i Catanesi lasciarono Leontini e, nel 461, s'impadronirono di nuovo di Catania, alla quale restituirono l'antico nome.
Dopo un celebre discorso che Alcibiade avrebbe pronunciato davanti all'assemblea riunita nel teatro della città, Katane da neutrale, nella guerra tra Siracusa e Atene, si schierò dalla parte di Atene. Come sappiamo, la guerra terminò con la sconfitta di Atene ma la città si salvò dalla distruzione a causa dell'invasione cartaginese del 409 a. C.
Nel 403 a. C. Catania cadde in potere di Dionisio di Siracusa, e quindi rimase sotto il dominio dei re Siracusani dal IV secolo ai primi decenni del III, sino alla venuta del corinzio Timoleone, per mezzo del quale ritornò libera ed indipendente. Nel 345 a. C. il tiranno di Catania il sabellico Mamerco, in un primo alleato di Timoleone, passò dalla parte dei Cartaginesi. Sconfitto nel 338 a. C. si rifuggiò a Messana, ma caduto in mano siracusana, dopo un processo avvenuto nel Teatro di Siracusa, fu condannato e crocefisso.

Durante la 1° guerra punica, dopo i primi trionfi delle armi romane nel 263 a. C., Catania si sottomise ai Romani, i quali la chiamarono Catina (lat. Catĭna o Catăna). Espugnata Siracusa dal cons. Marcello (212 a. C.) i Romani conquistarono interamente la Sicilia (210 a. C.), e la divisero in due provincie, amministrate da un "praetor"; della "provincia nova" facevano parte le città annesse dopo la prima guerra Punica, cioè Siracusa, Catina e le circonvicine. Catina fu tra le 5 "civitates immunes et liberae". Questo privilegio fu perduto sotto l'imperatore Ottaviano Augusto nel I sec.

L'area archeologica
Disastrosi e numerosi terremoti hanno raso al suolo la città e le conseguenti ricostruzioni hanno spesso ricoperto le precedenti architetture. Pochi sono stati gli scavi archeologici se non in tempi recenti. In piena consonanza con le notizie dello storico ateniese Tucidide sono i risultati di un recentissimo scavo condotto dalla Sovrintendenza ai beni culturali di Catania: all'interno del Castello Ursino sono stati rinvenuti strutture e materiali greci che risalgono al periodo tra la fine dell'VIII e gli inizi del VII secolo, cioè alla fase fondativa della città. Anche sulla sommità della collina dell'acropoli numerosi sono i resti d'epoca greca del VII secolo, oltre che significative tracce del periodo preistorico, relative in specie al neolitico ed all'età del rame. Altri ritrovamenti risalenti al Vi secolo dimostrano la progressiva espansione della colonia calcidese nel suo retroterra. Una stipe votiva rinvenuta nel 1959, attraverso i suoi materiali ceramici di VI secolo provenienti non solo da laboratori ateniesi e corinzi, ma anche di Sparta, Chio e altri centri greci, lascia pensare ad una Katane dai molteplici contatti con la madrepatria e centri del mediterraneo orientale. Indicativo in tal senso è anche il fatto che tra le statuette della stipe per il V e il IV secolo (momento di influenza siracusana) il tipo più diffuso sia quello di Kore introdotto da Gerone, tiranno di Siracusa, sacerdote appunto di Demetra e Kore, al momento della prima conquista siracusana di Catania.

Tra i resti del periodo greco e romano messi in luce e visitabili vi sono: il Teatro Romano (risalente al III secolo), l'Odeon (III secolo), l'Anfiteatro (II secolo), le Terme dell'indirizzo, le Terme della Rotonda, le Terme Achilliane, resti di un acquedotto presso il parco Gioeni e alcuni edifici funerari. Persino u Liotru, il simbolo di Catania posto al centro di Piazza Duomo, è stato realizzato in pietra lavica in epoca romana e raffigura un elefante che regge un obelisco simile a quelli egizi.