Pausania attribuisce la sua fondazione all'eroe eponimo Norace, alla guida degli Iberi. Il più tardo Solino attribuisce a Norace una provenienza dalla mitica città di Tartesso.
Sono state ritrovate tracce della presenza nuragica, attestanti una frequentazione del sito nell'età del bronzo. Nel territorio circostante sono attestati alcuni nuraghi (nuraghe "Sa Guardia mongiasa" sull'unico modesto rilievo nell'immediato entroterra; nuraghe Antigori di Sarroch, più distante, nel quale sono state rinvenute ceramiche micenee).
Tracce della ripopolazione nuragica-fenicia si riferiscono all'VIII secolo a.C. (stele di Nora, con iscrizione in un alfabeto simile al fenicio, con la più antica attestazione del nome della Sardegna), mentre i resti più antichi rinvenuti si riferiscono ad una necropoli con tombe databili tra la fine del VII e gli inizi del VI secolo a.C.
Rimangono pochi resti della città originaria (tophet, fondazioni di una struttura sacra dedicata alla dea Tanit, resti di fortificazioni, impianti artigianali nella zona più prossima al mare). I materiali rinvenuti nelle tombe attestano tuttavia il fiorire della città nel V e soprattutto nel IV secolo a.C. e i precoci contatti con Roma antica.
All'epoca della conquista romana della Sardegna (238 a.C.) si trattava probabilmente della più importante città dell'isola, scelta inizialmente come capitale della provincia romana di Sardegna e Corsica. In epoca romana fu municipio. I resti attualmente presenti testimoniano dello sviluppo della città in particolare nel II e III secolo d.C. Della città romana si conservano i resti di numerosi edifici quali foro, teatro, anfiteatro (non ancora scavato), impianti termali e case di abitazione, mentre i materiali archeologici testimoniano la continuazione e la prosperità dei commerci con le regioni affacciate sul mar Mediterraneo.
L'abbandono della città dovette iniziare nel corso del V secolo, con l'occupazione da parte dei Vandali e la maggiore difficoltà dei traffici marittimi: gli abitanti si dovettero ritirare progressivamente nelle località più sicure dell'interno. Nel VII secolo l'anonima Cosmografia ravennate cita Nora come praesidium (fortezza e non più città). La frequentazione successiva del sito è legata alla tradizione del martirio qui avvenuto di sant'Efisio, al quale venne dedicata una piccola chiesa eretta nel 1089.
