Первым официальным документом о существовании города Пензы является "Строельная книга", где говорится: "Лета 7174 (1665) сентября 13 день по Государеву Цареву и Великого князя Алексея Михайловича Указу воевода Елисей Протасьев Лачинов построил на Пензе у города посад и слободы и служилых и всяких чинов жилецких поселил, и землю и сенные покосы им отвёл и размежевал, и грани и всякие признаки учинил, и переписал на посаде". Из документа следует, что сам город-крепость существовал раньше. Это подтверждает документ, найденный в архиве и датированный 1663 годом.

Первые десятилетия своего существования Пенза оставалась поселением, застроенным небольшими деревянными домами, стоявшими в самой крепости и за её стенами. Центр крепости, кремль, представлял собой правильный прямоугольник и был окружён высоким земляным валом, по периметру которого стояли высокие бревенчатые стены с дозорными башнями. На башнях постоянно несли дежурство служилые люди, ведшие наблюдение за степью. Внутри крепости выстроили церковь, воеводский дом, приказную избу, склады, сторожки для воротников и караула.

В середине XVII века Пенза служила форпостом в Диком поле для надёжной порубежной защиты государства. Не раз городу приходилось отражать нападение и выдерживать осады. В 1670 году Пенза без боя была сдана отряду казака Харитонова, пришедшему из-под Симбирска от Степана Разина. Повстанцы перебили пензенских воевод. В городе к отрядам Разина присоединились около 900 человек. На Пензу постоянно нападали ногайцы. Самый разорительный набег пришёлся на 1680 год. Кочевники уничтожили свыше 350 дворов, большую часть посада и слобод ". Последний набег кочевников, так называемый кубанский погром, жители Пензы пережили в 1717 году. Разорив окрестности города и захватив много пленников, кочевники ушли в степь. Как и в 1680 году, взять пензенский кремль степняки не смогли. В дальнейшем в крае жизнь стала более спокойной.

Понемногу Пенза превращалась в обычный мирный город, в котором быстро развивались ремёсла и торговля. В городской быт прочно вошли базарные дни, две ежегодные ярмарки, и во второй половине XVIII века Пенза уже считалась торговым городом, крупным центром торговли хлебом и ремесленными изделиями. Значительных событий здесь не происходило. Лишь в августе 1774 года через Пензу прошла армия Е. Пугачёва.

За свою историю город многократно менял административное значение и подчинение. Строиться он начал, находясь в ведениии приказа Большого двора, затем перешёл в подчинение приказа Казанского двора. При Петре I Пенза входила в состав Азовской и Казанской губерний как заштатный город. В 1719 году она стала провинциальным центром Казанской губернии. В 1780 году город получил статус центра наместничества с 13 уездами, но в 1797 году император Павел I превратил Пензу в уездный город. Указом Александра I в сентябре 1801 года Пензенская губерния была восстановлена "в тех самых границах, в которых находилась до издания указа 1797 года с назначением Пензы губернским городом по-прежнему". В числе пензенских губернаторов с 1816 по 1819 год был граф М. Сперанский.

В XIX веке Пенза продолжала расти и развиваться. По рекам Суре и Пензе купцы вывозили в другие губернии рожь, ячмень, просо и гречиху, а обратно на тех же барках привозили промышленные товары. В 1844 году в городе учредили частный банк, авансировавший промышленность.