Urkundlich wird der Hauptort Bornheim als Dorf im Bonngau, in der Grafschaft des Grafen Ehrenfried, erstmalig am 2. August 945 genannt. Die Geschichte der Stadt reicht aber wesentlich weiter zurück. Beispiele dafür sind die noch in ihren Grundrissen erhaltene Fliehburg Alteburg im Walberberger Wald (Ringwall) und ein Abschnittswall auf dem Stromberg an der Südspitze des Waldes von Rösberg am Dobschleider Hof. Reiche Beigaben aus Hügelgräbern und Funde von Steinwerkzeugen weisen auf eine Besiedelung in der Vorzeit hin.
Von dem starken römischen Einfluss (50 vor bis 450 nach Chr.) zeugen heute der stellenweise sichtbare Römerkanal, eine Wasserleitung aus der Eifel nach Köln, und zahlreiche Kult- und Weihestätten sowie Fundamente mehrerer Landhäuser (villa rustica).
Auch im Mittelalter war die Region um Bornheim ein Wirtschaftsstandort. Zahlreiche mittelalterliche Sitze und Landhäuser inmitten von Parkanlagen sind noch heute in Bornheim zu bestaunen, wie zum Beispiel die Burg Bornheim, die Weiße Burg und die Graue Burg in Sechtem sowie die Wolfsburg in Roisdorf. Der Blick auf die Ruine, der 1945 abgebrannten Burg Hemmerich und der in den 80er Jahren neu aufgebauten Burg Rösberg, inmitten ihrer alten Parkanlagen, zeugt von der regen Bautätigkeit im 18. Jahrhundert.
Auch in der jüngeren Vergangenheit bis heute genießen viele berühmte Persönlichkeiten den Charme Bornheims. Heinrich Böll hat seine letzten Lebensjahre in der Stadt Bornheim verbracht und liegt auf dem alten Friedhof in Merten begraben. Der Fernsehmoderator Johannes B. Kerner verbrachte seine Kindheit in Hersel. Heute leben der Schauspieler Günter Lamprecht, der Comedian Bernd Stelter, sowie der Rennsportler und mehrfache deutsche Tourenwagenmeister Klaus Ludwig in Bornheim.
Die Stadt ist kulturell sehr geprägt. Zahlreiche Kulturvereine halten die alten Bräuche am Leben und begehen noch heute die traditionellen Feste der Region.