El sector en donde actualmente está emplazada la ciudad, era habitado por el pueblo prehispánico conocido como los diaguitas.
Fue fundada por el capitán Juan Bohón con el nombre de Villanueva de la Serena, aunque se discute la fecha exacta de la fundación, señalándose como probables el 15 de noviembre ó 30 de diciembre de 1543 y el 4 de septiembre de 1544, muchos historiadores dicen simplemente que fue fundada en 1544.
Cinco años más tarde, en la noche del 11 al 12 de enero de 1549, y cuando recién comenzaba a cimentar su historia, una sublevación de indígenas provoca la muerte a casi todos los españoles, destruyendo e incendiando el poblado.
El 26 de agosto de 1549, por orden de Pedro de Valdivia, el Capitán Francisco de Aguirre refunda la ciudad bajo el nombre de San Bartolomé de La Serena (actual patrono de la ciudad), en el mismo lugar donde hoy se levanta la Plaza de Armas. Tiempo después, el 4 de mayo de 1552, el rey Carlos I de España le confiere por real cédula el título de ciudad.
En el transcurso de su historia temprana, la ciudad comienza a sufrir continuos ataques por parte de los corsarios, siendo Francis Drake el más brutal, quien abrió la ruta del Pacífico a los corsarios hacia 1578. Bartolomé Sharp quemó parte de La Serena y la saqueó en 1680, y Edward Davis en 1686 prendió fuego al convento de Santo Domingo. Todos estos ataques causan gran temor en la población, obligando a la fortificación de la urbe en 1700. Con esta medida se evitó la migración progresiva que se estaba desarrollando por parte de los encomenderos, quienes preferían vivir en el interior de la región, en las zonas rurales, a vivir en peligro constante en la urbanizada costa.
Además, de los ataques de piratas, La Serena sufrió una destrucción casi total producto de un terremoto, el 8 de julio de 1730.
Durante la Revolución de 1859 (rebelión en contra del gobierno conservador), la ciudad fue tomada por las fuerzas copiapinas lideradas por Pedro León Gallo Goyenechea, hasta que fue nuevamente ocupada por el ejército de Santiago, al derrotar éste a las fuerzas de Gallo en la batalla del Cerro Grande.
En 1920, comienza a gestarse un nuevo auge económico por la minería del hierro, la que atrae a capitales y contingente humano, originándose un nuevo cambio en la estructura urbana.
Entre 1948 y 1952 el Presidente de la República de aquel entonces, Gabriel González Videla, crea el "Plan Serena", proyecto en el cual se renueva la ciudad con inversiones y remodelaciones urbanas que le imprimirán un sello único en el país. Así comienza a ganar un rol más protagónico el sector de servicios, con el conjunto rescate y desarrollo un estilo arquitectónico propio, denominado Neocolonial.
Este estilo arquitectónico la caracteriza frente a las demás ciudades del país, conservando antiguas construcciones de estilo colonial, siendo muchas de ellas importantes Monumentos Nacionales. Estas se mezclan con construcciones modernas, las cuales son construidas bajo un marco regulador que exige que las estructuras construidas dentro del casco histórico de la ciudad (comprendido entre las calles Almagro, Pedro Pablo Muñoz, Amunategui y Castro) mantengan el estilo de la ciudad. Por lo tanto, en el centro de La Serena no se puede edificar con construcciones muy altas, las cuales no deben sobrepasar la vista que tengas los edificios construidos en la terraza fluvio-marina que la antecede. En el sector costero de la Avenida del Mar, se comienza a observar una gran explosión inmobiliaria que se distingue al observar construcciones de gran altura, abarcando desde Serena Norte hasta la vecina ciudad de Coquimbo.
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