La ville se situe au fond d'une profonde ria sur la côte nord-est de la Sardaigne et s'étend sur une plaine bordant le golfe du même nom. Elle possède l'un des ports commerciaux et touristiques les plus importants de l'île, ainsi qu'un aéroport, le Costa Smeralda, considéré comme l'un des plus importants d'Italie.
La ville s'est développée sur une portion de littoral favorable d'un point de vue géographique et environnemental, tant par sa fonction d'exutoire côtier naturel pour l'intérieur des terres que par l'importance de son port sur les routes maritimes commerciales et militaires de la mer Tyrrhénienne centrale.
Récemment, grâce à de nouvelles fouilles et études, il a été possible de retracer les étapes de son évolution urbaine. De la seconde moitié du VIIIe siècle à la première moitié du VIIe siècle avant J.-C., l'existence d'un entrepôt phénicien ou d'un établissement colonial est attestée (matériaux phéniciens avec quelques rares imitations de matériaux eubéens). Du milieu du VIIe siècle au milieu ou à la fin du VIe siècle avant J.-C., la présence d'un entrepôt ou d'une colonie phénicienne est attestée. Seuls des objets d'origine grecque ont été mis au jour (artefacts corinthiens et, à partir de la fin du VIIe siècle, artefacts ioniens). Ces vestiges témoignent de l'existence d'une « colonie » grecque qui a remplacé l'établissement phénicien précédent et qui a subsisté pendant au moins un siècle et demi.
À partir de la seconde moitié du VIe siècle avant J.-C., la situation semble avoir évolué. En effet, la bataille de la mer Sardaigne en 540 avant J.-C., qui opposa les Carthaginois et les Étrusques aux Grecs, eut très probablement aussi des répercussions sur Olbia. Cette victoire consolida la domination des Étrusques et des Carthaginois sur la mer Tyrrhénienne centrale, privant la ville de ses routes commerciales naturelles et créant ainsi un contexte propice à la conquête carthaginoise de la cité, assurant ainsi le contrôle de la région tyrrhénienne centrale. Plus tard, vers le milieu du IVe siècle avant J.-C., les Carthaginois organisèrent un centre urbain défendu par une muraille trapézoïdale flanquée de tours carrées et bordé à l'ouest par la nécropole qui s'étendait au-delà du périmètre occidental des remparts, au-delà de l'actuelle Via Brigata Sassari.
De par son rôle stratégique, la ville fut impliquée dans les événements de la Première Guerre punique. En 259 avant J.-C., le consul romain Lucius Cornelius Scipio tenta, sans succès, de la libérer de la domination carthaginoise. Cependant, plus tard, en 238-237 avant J.-C., toute la Sardaigne, y compris Olbia, passa sous domination romaine. La ville resta longtemps sous domination romaine, jusqu'à la fondation de Turris Libisonis, principale ville du nord de la Sardaigne. La ville romaine occupait l'ancien site punique, à l'intérieur de la même enceinte défensive, en utilisant les structures et infrastructures encore fonctionnelles. Parmi celles-ci figuraient le plan urbain orthogonal dont le réseau routier semble avoir été orienté selon les axes nord-nord-ouest-sud, sud-est et ouest-nord-ouest-est-sud-est (les voies principales correspondant probablement aux actuels Corso Umberto et Via Regina Elena-Via Porto Romano) ; le port, situé près du port actuel ; et le sanctuaire dédié à Hercule (Melqart-Héraclès-Hercule), dieu protecteur d'Olbia, identifié sur le relief de San Paolo, au centre de la ville, près de l'actuelle église Santa Croce.
Un espace cultuel, constitué d'une cella (favissa) souterraine datant du IIIe-IIe siècle av. J.-C., a été découvert dans une zone suburbaine, près de l'actuelle église San Simplicio. Il contenait des terres cuites figuratives liées au culte de Déméter, déesse de l'agriculture. La persistance de ce culte durant la période impériale romaine est attestée par la découverte de l'épistyle d'un petit temple dédié à Cérès (déesse romaine assimilée à Déméter) par Acté, affranchie et concubine de Néron. On suppose que le forum se situait à l'emplacement actuel du bâtiment scolaire sur le Corso Umberto, près du port.
Aux IIe et Ier siècles avant J.-C., la ville importait des marchandises principalement d'Italie centrale et méridionale, d'Espagne, de Sicile et d'Afrique du Nord, et exportait surtout du blé, comme en témoigne la présence à Olbia, entre 57 et 56 avant J.-C., de Quintus, frère de Cicéron, chargé de l'approvisionnement en céréales. Durant la période impériale, la ville, désormais profondément romanisée, demeura l'un des principaux ports de commerce méditerranéens. Entre la fin du Ier siècle avant J.-C. et le début du Ier siècle après J.-C., fut construite la structure probable du temple découvert sur la Piazza Santa Croce, non loin du sanctuaire d'Hercule. La découverte de deux portraits impériaux (Néron et Trajan) à proximité pourrait suggérer l'existence d'un lieu de culte impérial (l'Augusteum), et il est probable que la ville soit devenue une municipalité au cours du Ier siècle apr. J.-C. À partir de l'époque néronienne (54-68 apr. J.-C.), elle connut une importante phase de développement urbain, peut-être liée à la présence d'Atte et aux intérêts économiques découlant de la gestion des domaines que lui avait légués Néron et de la production de briques dans ses propres ateliers. La zone habitée (correspondant à l'actuelle Villa Tamponi, à Su Cuguttu) s'étendit.
L'activité de construction, tant publique que privée, s'intensifia avec le pavage des rues, l'édification de monuments et de demeures seigneuriales. Au IIe siècle apr. J.-C., la ville fut dotée de thermes, situés entre les actuels Corso Umberto et Via delle Terme, ainsi que d'un aqueduc. Les infrastructures portuaires furent également renforcées par la construction d'entrepôts. Les fonds marins au large d'Olbia recèlent de nombreux sites archéologiques, témoignant de l'importance commerciale du port.
Entre la fin du IIIe et le début du IVe siècle apr. J.-C., la ville connut probablement une période de crise économique. La construction de nouveaux bâtiments diminua et l'agglomération antique se réduisit avec l'abandon de quartiers entiers, réutilisés comme nécropoles (Su Cuguttu), et la disparition de tronçons de routes importants (San Paolo). Au Ve siècle apr. J.-C., Olbia fut peut-être victime d'une incursion vandale, comme en témoigne la destruction d'une flotte impériale, dont les épaves récemment découvertes peuvent être datées de cette période. Malgré le déclin démographique durant l'Antiquité tardive, des travaux de rénovation d'édifices publics ont été mis au jour entre le IVe et le Ve siècle : la restauration d'une tour dans le secteur nord des remparts et la reconstruction d'une structure en ruine mentionnée dans une inscription, mais non identifiée. La nécropole romaine occupait une zone au nord de la ville antique, dans le secteur qui s'étend aujourd'hui de la Via Roma à la Via Fausto Noce. Une autre nécropole, plus tardive, datée du IVe au VIe siècle apr. J.-C., a été découverte dans l'ancienne agglomération, au lieu-dit Su Cuguttu, situé entre la Via Acquedotto Romano et la Via E. Nenni.

Histoire des fouilles
Les premières recherches sur les origines de la ville ont eu lieu au début du XVIIe siècle et se sont concentrées sur les nécropoles proches de l'église San Simplicio. Dans la première moitié du XIXe siècle, des fouilles archéologiques ont été entreprises afin de recueillir des vestiges matériels, qui ont ensuite été transférés à des musées et des collections privées, en Italie et à l'étranger. Le chanoine Giovanni Spano a relaté ces travaux, qui ont conduit à de nombreuses découvertes, de 1855 à 1876. De 1880 à 1884, Pietro Tamponi a compilé une série de notes importantes sur les découvertes archéologiques réalisées à Olbia et dans ses environs. Les surintendants Antonio Taramelli, au début du XXe siècle, et Doro Levi, dans les années 1930, ont également mené à plusieurs reprises des fouilles archéologiques. Les travaux de Dionigi Panedda dans les années 1950 ont été particulièrement importants et ont donné lieu à la publication de deux volumes sur Olbia en « Forma italiane ». De 1958 à 1977, la ville a fait l'objet de fouilles et de projets de restauration sporadiques, notamment ceux menés par le premier surintendant des Antiquités des provinces de Sassari et Nuoro, Guglielmo Maetzke, entre la fin des années 1950 et 1966, et ceux d'Enrico Acquaro dans les années 1970. Dans les années qui suivirent, jusqu'en 1990, la protection assurée par la Surintendance archéologique devint systématique et continue. Depuis 1990, des recherches approfondies sont menées sur le site d'Olbia, incluant le suivi et la récupération du patrimoine archéologique issu de fouilles ponctuelles, tant terrestres que sous-marines. Malheureusement, la destruction des vestiges de la cité antique a accompagné le développement de la ville moderne. La plupart des fouilles menées en zone urbaine ont, et présentent encore, un caractère d'urgence (une cinquantaine entre 1980 et 1994, sous la direction d'Antonio Sanciu puis de Rubens D'Oriano). En 1992, une fouille d'urgence a mis au jour un important site funéraire dans la région de Su Cuguttu. En juillet 1999, lors de la construction d'un tunnel sous-marin, les vestiges identifiés le long du littoral par les fouilles archéologiques menées pendant trois ans par Rubens D'Oriano ont été exhumés.

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