Det middelalderlige Nykøbing F, som opstod ved et overfartssted mellem Falster og Lolland, har dækketet areal på ca. 40 ha. De ældste fund er fra 1100-tallet. Den ældst kendte bybefæstning, altså Nykøbing Slots forgænger, menes også at være fra 1100-tallet. Middelalderbyen var centreret om Torvet mellem den nordlige og sydlige byport. Der er velbevarede købmandsparceller og gadeforløb fra perioden. Middelalderligt bolværk i Strandgade markerer havnefronten mod Guldborg Sund. Under den gamle færgekro fra 1600-tallet, Czarens Hus, kan de ældste spor føres tilbage til 1200-tallet.
Midt på Torvet er der undersøgt et fundament til et stenhus, der tolkes som middelalderens rådhus. På Torvet er også fundet resterne af bykirken Vor Frue, der blev nedlagt i 1532.
Byens ældre historie er stærkt præget af borgen, senere slottet, hvis beliggenhed markeres af gadenavnene Slotsgade og Slotsporten. Det ældste dokument, der omtaler borgen, er fra 1255. Nord for det middelalderlige befæstningstårn er der fundet borgerkrigsmønter slået i 1289, en armbrøstbolt og en jernøkse. Fundet sættes i forbindelse med Marsk Stig og de fredløses overfald på Nykøbing F i sensommeren 1289.
I de følgende ca. 250 år blev der udstedt mange kongelige breve på borgen, der bl.a. i hhv. 1365 og 1507 dannede ramme om vigtige møder mellem repræsentanter for Danmark og hansestæderne. Det ældst bevarede købstadsprivilegium er fra 1451, men allerede omkring 1315 havde byen et råd og i 1319 en foged på borgen. Kong Erik af Pommern gav i 1419 tilladelse til opførelse af et gråbrødrekloster. Velbevarede fundamenter til klosteret blev frilagt i 1960’erne sydøst for middelalderbyen. Vest- og sydfløjen med Klosterkirken markerer byens afgrænsning mod sydøst.
I hovedparten af perioden 1533-1714 fungerede Nykøbing F som livgeding, dvs. et område, der var udlagt som økonomisk grundlag for en enkedronning eller andre kongelige personer. Da de fleste af dem var bosat på slottet en stor del af tiden og medbragte et betydeligt hof (under den udvalgte prins, kronprins Christians tid 1634-47 op mod 200 ansatte), stimulerede ordningen i høj grad byens omsætning. Efter 1714 forfaldt slotsbygningerne imidlertid, og i 1767 blev de solgt til nedrivning. Ligesom mange andre købstæder var Nykøbing F i store dele af 1700-tallet præget af økonomisk krise, og ved folketællingen i 1801 blev der kun registreret 1.079 indbyggere, heraf 15 købmænd og ca. 55 håndværkere.
Først efter landbrugskrisen 1818-28 begyndte det for alvor at gå fremad for Nykøbing F. Danmarks forøgede korneksport fra og med 1830’erne gavnede byen, hvor der nu ikke blot kom gang i handelen, men også blev etableret en række industrier; af disse fik E. Nobels Tobaksfabrik (1835) og jernstøberiet Bruunshåb (1842) langsigtet betydning. Senere fulgte mange andre industrier, bl.a. flere skibsværfter, en dampmølle og et bryggeri, men sukkerfabrikken (1884) og svineslagteriet (1889), der begge blev etableret på andelsbasis, var dog langt de vigtigste. Havneanlægget, der indtil 1830’erne kun havde bestået af to moler, blev udvidet flere gange i de følgende årtier. I 1867 blev der for første gang etableret en fast forbindelse mellem Falster og Lolland, nemlig gang- og kørebroen Christian IX’s Bro, fem år senere blev Nykøbing F endestation for en jernbane til Orehoved, og i 1875 blev der anlagt en jernbanebro og -dæmning hen over Guldborg Sund. I 1910 og i 1911 fik byen også jernbaneforbindelse til hhv. Nysted og Stubbekøbing. Disse forbedringer af infrastrukturen var til stor gavn for Nykøbing F, som nu for første gang fik et opland mod vest, samtidig med at byen i stigende grad tiltrak kunder fra nord, og det blev lettere at få tilført sukkerroer og svin til byens industrier.
Nykøbing F, der havde oplevet en jævn og solid befolkningsvækst op gennem 1800-tallet – 1.610 i 1834 og 2.608 i 1855 til 7.345 i 1901 – fortsatte denne vækst, så købstaden og de nærmeste forstæder (bl.a. Sundby) i 1970 nåede op på 20.532 indbyggere. Mens bebyggelsen indtil omkring år 1900 stort set var koncentreret til det oprindelige købstads- og slotsområde, skete der i de første årtier af 1900-tallet en stærk udbygning, først øst for jernbanen (Østerbro) og siden mod nord (Nørrebro). Det omfattende offentlige byggeri, der var påbegyndt i anden halvdel af 1800-tallet, fortsatte også op gennem 1900-tallet. Syge- og Epidemihuset fra 1893 blev fx udvidet flere gange, inden det i 1957 blev afløst af et centralsygehus med 330 senge, mens byen fik nyt rådhus 1919- 20, og katedralskolen (ca. år 1500), den tekniske skole (1853) og handelsskolen (1896) fik nye bygninger i hhv. 1953, 1929 og 1955. I forbindelse med etableringen af Fugleflugtslinjen blev de to gamle broer erstattet med Kong Frederik IX’s Bro, indviet i 1963, og stationsbygningen blev flyttet ved samme lejlighed.
Ved Kommunalreformen i 1970 blev Nykøbing F administrativt centrum for Storstrøms Amtskommune og statsamt og for den nyetablerede Nykøbing Falster Kommune. Også flere andre myndigheder fik efterhånden til huse i byen, ligesom flere uddannelsesinstitutioner kom til. Til gengæld mistede byen mange arbejdspladser pga. afviklingen af megen industri. Befolkningstallet faldt i løbet af 1990’erne og endte i 2006 på 16.590.
