Die Gegend um Bülach war bereits in prähistorischer Zeit eine Siedlungszone. 1980 wurden Brandgruben aus der Spätbronzezeit in der Schwerzgrueb entdeckt. Der «Keltenwall» auf dem Rhinsberg als Befestigung einer kleineren keltischen Siedlung (Oppidilli, kleines Oppidum) wurde 1998/99 durch die Universität Zürich und die Kantonsarchäologie untersucht und mittels C-14 Untersuchungen in das 10./9. Jh. vor Chr. (Ha B3-Periode) datiert. Der Wall bestand aus Steinen, einem Kastenbau mit Füllmaterial, einer hölzernen Wallfront aus Eichenbalken und einem vorgelegten Graben. Grabhügel der späten Hallstattzeit mit Waffen-, Schmuck- und Gerätebeigaben wurden im Höhragen- und Hardwald gefunden. Zur Zeit des Römischen Reiches befand sich auf dem heutigen Stadtgebiet ein römischer Gutshof.

Die ältesten Spuren der alemannischen Dorfbildung stammen aus dem 6. und frühen 7. Jahrhundert. In der Nähe des Stadtkerns wurden 1919-28 Im Füchsli alemannische Gräber mit archäologisch bedeutenden Funden ausgegraben.Gefunden wurden hierbei zwei Fibeln, das eine ist das sog. Fischfibelpaar, das andere die Bülacher Fibel, der bis heute (Stand 2013) einzige Fund mit Runeninschrift in der Schweiz. Die im Jahr 1968 gemachten archäologischen Ausgrabungen in der reformierten Ortskirche brachten das Grab einer adeligen Frau aus dem 7. Jahrhundert zutage, getrennt von allen anderen unter dem Kirchenschiff gefundenen Gräbern, direkt unter dem damaligen Standort des Taufsteins der Kirche. Die Tracht der Frau war die einer Alamannin, nebst reichem Schmuck ein Baumwollkleid, mit Seide bestickte Schuhe und einen leinenen Mantel. Besonders zu erwähnen ist, dass kleine kupferne Plättchen mit dem christlichen Kreuz an ihrem Halsband eingearbeitet waren, was darauf hindeutet, dass die Frau christlichen Glaubens war. In der gleichen Ausgrabung im Jahre 1968 wurden mehrere Pestgräber gefunden. Die Verstorbenen waren in Kalk eingegossen was zur damaligen Zeit üblich war bei Opfern der Pest.

Erstmals erwähnt wird Bülach 811 in einer Urkunde der Abtei St. Gallen als Pulacha. Der Name geht auf eine nicht belegte Form (prædium) *Pulliācum «Landgut des Pullius» zurück, eine mit dem keltischen Suffix -akos gebildete Ableitung zum lateinischen Personenname Pullius.

Die sich im Hochmittelalter zu einer geschlossenen Siedlung entwickelnde Ortschaft war bereits im 13. Jahrhundert mit Mauern befestigt. Bülach unterstand bis 1376 (spätestens seit dem 13. Jahrhundert) den Freiherren von Tengen. Im Jahr 1384 bekam Bülach anlässlich der Übernahme der Vogtei durch Herzog Leopold III. von Österreich das Stadtrecht mit eigener Gerichtsbarkeit verliehen. Diese Bevorzugung hatte Bülach vor allem der sehr günstigen Verkehrslage zu verdanken. 1386 brannte Bülach während des Sempacher Krieges nieder.