La ciudad se encuentra al pie de una profunda ría en la costa noreste de Cerdeña y se extiende por una llanura a orillas del golfo homónimo. La ciudad cuenta con uno de los puertos comerciales y turísticos más importantes de la isla y un aeropuerto, la Costa Esmeralda, considerado uno de los más importantes de Italia.
La ciudad se desarrolló en un tramo de costa favorable desde una perspectiva geográfica y medioambiental, tanto por su función como salida costera natural hacia las zonas del interior como por la importancia del puerto en las rutas marítimas comerciales y militares del mar Tirreno central.
Recientemente, gracias a nuevas excavaciones y estudios, se han podido delinear las etapas de la evolución urbana. Desde la segunda mitad del siglo VIII hasta la primera mitad del siglo VII a. C., se atestigua la existencia de un almacén o asentamiento colonial fenicio (materiales fenicios con algunas raras imitaciones de materiales eubeos). Sin embargo, desde mediados del siglo VII hasta mediados y finales del siglo VI a. C., se atestigua la presencia de un almacén o asentamiento colonial fenicio. Solo se han encontrado materiales de origen griego (artefactos corintios y, desde finales del siglo VII, artefactos jonios). Esta evidencia demostraría la existencia de una "colonia" griega que sustituyó al asentamiento fenicio anterior y que existió durante al menos un siglo y medio.
A partir de la segunda mitad del siglo VI a. C., la situación parece haber cambiado. De hecho, la Batalla del Mar de Cerdeña en el 540 a. C., que enfrentó a cartagineses y etruscos contra griegos, casi con toda seguridad también afectó a Olbia. La victoria aseguró el dominio de los etruscos y cartagineses sobre el mar Tirreno central, privando a la ciudad de sus rutas comerciales naturales y creando una situación que condujo a la conquista cartaginesa de la ciudad, asegurando así el control de la zona central del Tirreno. Más tarde, hacia mediados del siglo IV a. C., los cartagineses organizaron un centro urbano defendido por una muralla trapezoidal con torres cuadradas y delimitado al oeste por la necrópolis que se extendía más allá del perímetro occidental de las murallas, más allá de la actual Via Brigata Sassari.
Debido a su papel estratégico, la ciudad se vio involucrada en los acontecimientos de la Primera Guerra Púnica. En el 259 a. C., el cónsul romano Lucio Cornelio Escipión intentó, sin éxito, liberarla del dominio cartaginés. Sin embargo, más tarde, entre el 238 y el 237 a. C., toda Cerdeña, incluida Olbia, quedó bajo dominio romano. La ciudad permaneció bajo dominio romano durante mucho tiempo, hasta la fundación de Turris Libisonis, la principal ciudad del norte de Cerdeña. La ciudad romana ocupaba el asentamiento púnico anterior dentro del mismo circuito defensivo, utilizando las estructuras e infraestructuras aún en funcionamiento, como el plano urbano ortogonal, cuya red viaria parece haber estado orientada según los ejes norte-noroeste-sur, sureste y oeste-noroeste-este-sureste (las vías principales posiblemente correspondían al actual Corso Umberto y Via Regina Elena-Via Porto Romano); el puerto situado cerca del actual; y el santuario dedicado al dios patrón de Olbia, Hércules (Melqart-Heracles-Hércules), identificado en el relieve de San Paolo, en el centro de la ciudad, cerca de la actual iglesia de Santa Croce.
Un área de culto consistente en una cella subterránea (favissa), que data del siglo III-II a. C., fue descubierta en una zona suburbana, cerca de la actual iglesia de San Simplicio. Contenía terracotas figurativas relacionadas con el culto a Deméter, diosa de la agricultura. La persistencia de este culto en la época imperial romana queda confirmada por el descubrimiento del epístilo de un pequeño templo dedicado a Ceres (diosa romana asimilada a Deméter) por Acte, liberta y concubina de Nerón. Se supone que el foro pudo haber estado ubicado en la zona del actual edificio escolar en Corso Umberto, cerca del puerto.
Durante los siglos II y I a. C., la ciudad importaba mercancías principalmente del centro y sur de Italia, España, Sicilia y el norte de África, y exportaba principalmente trigo, como lo demuestra la presencia en Olbia, entre el 57 y el 56 a. C., de Quinto, hermano de Cicerón, responsable del suministro de grano. Durante la época imperial, la ciudad, ya profundamente romanizada, continuó siendo uno de los principales puertos comerciales del Mediterráneo. Entre finales del siglo I a. C. y principios del siglo I d. C., se construyó la probable estructura del templo descubierta en la Piazza Santa Croce, no lejos del Santuario de Hércules. El descubrimiento de dos retratos imperiales (Nerón y Trajano) en las cercanías podría sugerir la existencia de un lugar de culto imperial (Augusteum), y es probable que la ciudad se convirtiera en municipio durante el siglo I d. C. Especialmente a partir de la época neroniana (54-68 d. C.), experimentó una importante fase de desarrollo urbano, quizás también vinculada a la presencia de Atte y a los intereses económicos derivados de la gestión de las propiedades que le donó Nerón y de la producción de ladrillos en sus propios talleres. La zona habitada (la zona de la actual Villa Tamponi, Su Cuguttu) se expandió.
La actividad constructora, tanto pública como privada, se intensificó con la pavimentación de calles, la construcción de monumentos y casas señoriales. Durante el siglo II d. C., la ciudad se dotó de un balneario, situado entre las actuales Corso Umberto y Via delle Terme, y de un acueducto. Las instalaciones portuarias también se reforzaron con la construcción de almacenes. El fondo marino de la costa de Olbia conserva numerosos yacimientos arqueológicos, prueba más de la importancia comercial del puerto.
Entre finales del siglo III y principios del IV d. C., la ciudad probablemente experimentó un período de crisis económica. Las nuevas construcciones disminuyeron y el antiguo asentamiento se redujo con el abandono de zonas enteras, reutilizadas como cementerios (Su Cuguttu), y la destrucción de importantes tramos de carretera (San Paolo). En el siglo V d. C., Olbia pudo haber sufrido una incursión vándala, como lo demuestra la destrucción de una flota imperial, cuyos restos recientemente descubiertos datan de este período. A pesar del declive demográfico durante la Antigüedad Tardía, existen evidencias de renovaciones en edificios públicos entre los siglos IV y V: la restauración de una torre en el sector norte de las murallas y la reconstrucción de una estructura en ruinas mencionada en una inscripción, pero no identificada. La necrópolis romana ocupaba una zona al norte de la ciudad antigua, en la zona que hoy se extiende desde la Vía Roma hasta la Vía Fausto Noce. Otra necrópolis posterior, datada entre los siglos IV y VI d. C., fue descubierta en lo que fue la antigua zona urbana, en la localidad de Su Cuguttu, situada entre la Vía Acquedotto Romano y la Vía E. Nenni.

Historia de las Excavaciones
Las primeras investigaciones sobre los orígenes de la ciudad tuvieron lugar a principios del siglo XVII y se centraron en las zonas del cementerio cercanas a la iglesia de San Simplicio. En la primera mitad del siglo XIX, comenzaron las investigaciones arqueológicas para obtener evidencia material, que posteriormente se transfirió a museos y colecciones privadas en Italia y en el extranjero. El canónigo Giovanni Spano registró esta actividad, que dio lugar a numerosos descubrimientos, entre 1855 y 1876. Entre 1880 y 1884, Pietro Tamponi recopiló una serie de notas importantes sobre los descubrimientos arqueológicos realizados en Olbia y sus alrededores. Los superintendentes Antonio Taramelli, en las primeras décadas del siglo XX, y Doro Levi, en la década de 1930, también participaron repetidamente en excavaciones arqueológicas. El trabajo de Dionigi Panedda en la década de 1950 fue particularmente importante, dando lugar a los dos volúmenes sobre Olbia en "Forma italiane". De 1958 a 1977, la ciudad fue objeto de proyectos esporádicos de excavación y restauración, como los del primer Superintendente de Antigüedades de las Provincias de Sassari y Nuoro, Guglielmo Maetzke, entre finales de la década de 1950 y 1966, y los de Enrico Acquaro en la década de 1970. En los años siguientes, hasta 1990, la protección de la Superintendencia Arqueológica se volvió sistemática y continua. Desde 1990, en Olbia se han llevado a cabo investigaciones y un profundo conocimiento de la zona, lo que también incluye la monitorización y recuperación del patrimonio arqueológico procedente de excavaciones esporádicas tanto terrestres como subacuáticas. Lamentablemente, la destrucción de las estructuras de la ciudad antigua ha ido en paralelo con el desarrollo de la ciudad moderna. La mayoría de las excavaciones en la zona urbana presentan, y aún presentan, características de emergencia (cincuenta entre 1980 y 1994, dirigidas primero por Antonio Sanciu y luego por Rubens D'Oriano). En 1992, una excavación de emergencia descubrió un importante yacimiento funerario en la zona de Su Cuguttu. En julio de 1999, durante la construcción de un túnel bajo el nivel del mar, se encontraron los restos de lo que la excavación arqueológica de tres años, dirigida por Rubens D'Oriano, ubicada a lo largo de la costa, identificó como los restos de antiguos naufragios y sus cargamentos.

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