秦代初置益阳县时，《史记·秦本纪》未列郡县建制表，所以益阳的疆域只能根据《汉书·地理志》、《广舆记》、《读史方舆纪要》等地理著作加以推定。各种版本的《益阳县志》和《长沙府志》早已得出了明确结论，汉代的益阳包括今日之桃江、益阳、安化、新化各县和益阳市、冷水江市的全部以及宁乡、湘阴、涟源、新邵和沅江市的部分地方，范围广，达18000平方公里。今益阳市域所辖的县、市，除沅江小部分和南县外，均在古益阳版图之内。
从秦到汉，益阳经历了一段较长的稳定时期，这一时期的益阳，社会安定，经济繁荣，农业发达，人口增加。并且，益阳还是中央政府“近图荆楚，远图百粤”的必经之地。西汉初，大中大夫陆贾两次出使南越，都途经并驿住益阳，并留下陆贾山之名，流传后世。三国时期，益阳是兵家必争之地，孙权与刘备争荆州，鲁肃拒关羽于益阳，今尚存“关云长单刀赴会”、“诸葛井”、“鲁肃堤”、“马良湖”、“点将台”、“甘宁垒”等遗址。由于经济发展，人口增长，吴太平二年（257），析置新阳县（今宁乡县），吴宝鼎二年（267），析置高平县（今新化和新邵县的一部分），县域开始划小。南北朝时期，巴蜀流民徙入荆湘，县内人口增多，又先后析置湘阴县、药山县（今沅江市）。唐代，开始种茶，经济迅速发展，水稻、麻、茶及竹木生产闻名海内。
益阳建城，最早始于三国时期。东汉建安二十年（215），吴蜀议和，鲁肃奉孙权之命修筑益阳城，时称“鲁肃堤”，亦名“鲁肃城”。自晋至隋，凡350余年，益阳城区的建设无籍可考。据《益阳县志》记载，唐代县邑已由临河的东门口延伸至贺家桥，再顺着古驿道，一路西延到了窑湾，发展形成了岐头市。唐朝尊商重贾，贸易交流便利，为益阳城的集市发展创造了条件。由于境内盛产竹木山货，且地处资水尾闾，流域内的物质中转集散必经于此，所以县城西部沿资江附近，形成了规模不小的竹木集散市场。贞观年间，唐太宗派大将尉迟恭、秦叔宝在益阳修建广法寺和龙牙寺，并带动了县内资江两岸白鹿寺等一批寺庙的兴建。社会的发展，人口的集聚，促进了益阳城邑的繁荣。唐宣宗大中年间，荆南节度使裴休遭贬，在资江南岸的山崖结庐闲居。益阳籍著名诗僧齐己曾长驻于山寺，晚年才至荆南龙兴寺终老。据说仙人吕洞宾得道前，也曾来此地光顾过。
益阳自古就是洞庭湖以南的战略要地。西晋永嘉五年（311）元月，巴蜀流民数万家为避战乱，流亡到荆湘地区。湘州刺史荀眺欲尽诛流民，四五万家流民愤而皆反，共推蜀人醴陵县令杜弢为主。五月举旗起义，随即兵抵益阳。奉荆州刺史王澄之命，天门太守王襄拒兵益阳，双方呈犄角之势展开激烈争夺。东晋安帝义熙元年（405），桓亮起兵湘中。东晋广武将军领兵至益阳，与亮交战。桓亮被部将俘获，斩于益阳。大量战争在此发生，给益阳城市建设和社会发展带来巨大的破坏。此外，南朝宋刘劭太初元年（453），徐贵宝在南京讨伐刘劭弑夺帝位的逆行，因讨伐有功，被封为益阳县侯。南朝陈文帝天嘉元年（560），陆子隆在沌口（今汉阳南）拒叛将王琳，被授予中郎将，封益阳侯。
五代十国是中国历史上战事频繁的年代，益阳发生的战事连绵不绝，不可量数。马殷建楚国，益阳附为楚国属地。南唐保大九年（951），南唐将军边镐攻入长沙楚国，楚王被迫投降。边镐灭楚后，遣兵屯驻益阳（边镐被后周战败，为南唐所杀）。后周太祖广顺元年（951）十二月，楚将辰州刺史刘言起兵攻益阳。结果，被一度称楚王的周行逢割据。后周世宗显德五年（958），益阳才为刘言所占，直到北宋攻入为止。经历百余年的战争，特别是后周刘言的叛乱，益阳城邑遭受巨大破坏，由三国鲁肃城发展演变而来的城池，早已面目全非了。
特别值得一提的是，自汉唐一千余年以来，围绕秦汉的武陵蛮问题和隋唐五代的梅山蛮问题，一系列围剿与反围剿行动在此持续上演，对益阳的社会发展形成巨大的阻滞。
西汉社会崇尚节俭，薄葬是出土文物的基本特点。益阳的西汉墓大多为平民墓，以日常生活的陶制明器为主。东汉时期，作为一个时代的标志，钢剑、铜镜和青瓷器在益阳频频现身。20世纪80年代益阳羊舞岭大明一号墓出土的错金铜带钩，工艺繁复且制作精美，不愧是湖南乃至全国的罕见珍品。在桃江一带还发掘过一件硬陶双口坛，证实益阳腌制泡菜和坛菜的历史至少可追溯到东汉初年。晋代有关益阳历史的文献资料缺失，但考古文物并不逊色。从1980年桃花仑出土的西晋李宜墓，可以解读出从三国到南朝360多年里江南相对安定的社会局面。一只青瓷狮形烛台，以平和的造型、憨态可掬的神态和艳丽的釉色，展示着晋代青瓷器的尊贵。
大唐帝国的繁荣，在器物文化层面表现得更加具体生动。镜子是益阳所有出土文物的主题，唐代镜子更加丰富多彩。海兽葡萄镜是“盛唐气象”的呈现，也是中西文化交融的见证。宝相花镜是唐代的流行之物。2001年在赫山庙唐墓中发现一面宝相花镜，直径达21厘米，堪称益阳唐镜之王。葵形双鸾衔绶镜是唐镜中最为绚丽的镜型之一。花鸟相戏的题材表现着爱情的主题，风格柔美而自然。此外，还有万字镜、盘龙镜等。