Bogense blev formentlig anlagt i 1100-tallet på en morænebanke ud til den åbne, nordlige del af Lillebælt, hvor der var et overfartssted til Jylland. Bogenses ældst kendte købstadsprivilegier blev tildelt af kong Erik Menved i 1288, men da der var tale om en stadfæstelse, må der tidligere være blevet givet købstadsprivilegium. At bydannelsen er opstået nogen tid før 1288, antydes også af Sankt Nicolaj Kirke, hvis romanske dele stammer fra 1100-tallet og begyndelsen af 1200-tallet.
Købstaden Bogense nævnes i 1327 som en del af krongodset under herregården Harritslevgård, og købstadens opståen skal ses i relation til denne. Kronens interesse i købstaden var at styre handelen, der primært omfattede landbrugsprodukter, fisk og jern samt formentlig en ikke uvæsentlig indvinding af tangsalt. I den kongeløse tid 1332‑40 var Bogense og byens handel bl.a. pantsat til den svenske prins Erik Valdemarsen. Med kong Valdemar Atterdag kom byen igen til den danske krone.
Adelgade, der må opfattes som byens oprindelige hovedgade, følger den sydlige kant af moræneøen langs Lillestrand og ender yderst på næsset, hvor skibsbroen må have ligget siden middelalderen med færgefart til Klakring ved Vejle Fjord. Andre gader i den højereliggende del af byen kendes først fra historikeren Peder Hansen Resens prospekt fra 1670 i Atlas Danicus. Den spredte bebyggelse og Torvets tilsyneladende irregulære form på prospektet kan evt. tolkes, som at disse ikke var fuldt udbyggede i senmiddelalderen.
Bybæk, som omtales i 1514, er et bemærkelsesværdigt stykke middelalderlig ingeniørkunst, idet den efter Nedermølle svinger nordøst og løber knap to kilometer i et kunstigt løb bag om Adelgade og desuden har karakteristiske vandgange fra gaden.
Ved Reformationen var Bogense en ikke ubetydelig by, hvor der nu også var etableret en latinskole. I 1575 blev byen hærget af en brand, der lagde størstedelen af den i aske, og snart fulgte flere pestepidemier. I begyndelsen af 1600-tallet var Bogense kommet på fode igen, og der var etableret en handels- og håndværkerstand. Men efter svenskekrigenes hærgen 1658‑60 lå flere huse og gårde øde, og Bogense blev Fyns mindste købstad, der ikke udviklede sig meget de følgende 100 år. I 1787 lå befolkningstallet på 552.
Manglen af en havn var med til at fastholde byens stagnation; i 1827 tog borgerne derfor initiativ til selv at etablere en havn, der kunne tages i brug i 1844. Den betød bedre vilkår for både færgefart og for skibe, der nu kunne lægge til tæt på bykernen. I 1846 fik byen et nyt rådhus.
I 1852 blev Bogense Jernstøberi og Maskinfabrik anlagt, og i 1883 åbnede Bogense Kul- og Trælasthandel. De nye virksomheder affødte et behov for transport med jernbane, og 1882 åbnede Nordfynske Jernbane, der forbandt Bogense med Odense. Trods de nye tiltag blev Bogense aldrig en industriby, og handel, håndværk og fiskeri var stadig byens grundlæggende erhverv. I 1855 boede der 1.709 i byen, og dette tal var i 1901 vokset til 2.168. Omkring år 1900 opførtes huse langs landevejen til Odense med værksteder, mindre virksomheder og beboelser. Andelstiden satte også sit præg på Bogense, idet der både kom andelsmejeri (1893) og andelsslagteri (1896). I 1911 fik Bogense jernbaneforbindelse via Brenderup til Middelfart.
I 1921 blev der bygget et nyt rådhus, og omkring dette opstod en villabebyggelse. I 1930 fik Bogense et nyt sygehus, der med årene også blev en stor arbejdsplads. Schebys Fiona Maskinfabrik A/S var en af byens store arbejdspladser med produktion af landbrugsmaskiner. Byen var kendt for de mange garverier, hvor Bogense Garveri A/S BOGA var det største med over 100 medarbejdere. Med direkte togforbindelse til Odense blev Bogense et yndet udflugtsmål i 1930’erne, bl.a. til Søbadet Bellevue. Som oplandsby mistede Bogense noget af sin betydning ved nedlæggelsen af begge baneforbindelser i 1966. Indbyggertallet steg begrænset fra 2.852 i 1921 til 3.133 i 1950.
Med Kommunalreformen i 1970 blev Bogense administrativt center i den nye kommune af samme navn. Som for mange købstæder betød årene efter 1970 en afvikling af industrierne og dermed nedlæggelse af mange arbejdspladser. Efter en stor udvidelse beskæftigede sygehuset mange personer, men det blev lukket i 2002. En skuffelse for mange i den tidligere købstad var det, at det lokale gymnasium, der blev etableret i 1979, ikke kom til at ligge i Bogense, men i Søndersø. I 1970’erne blev der bygget et helt nyt parcelhuskvarter øst for den gamle bykerne. Fiskeri og søfart ophørte, og havnen blev indtaget af fritidssejlere; det medførte behovet for en marina, der blev anlagt i 1986. Turismen var blevet en vigtig indtægtskilde. Indbyggertallet steg fra 2.861 i 1970 til 3.499 i 2006.
