Die Region der heutigen Stadt Bornheim wurde bereits in vorgeschichtlicher Zeit besiedelt. Östlich an den Vorgebirgshang anschließend ist auf der linksrheinischen Lössterrassenplatte zwischen den Stadtteilen Bornheim und Sechtem eine Konzentration von Fundplätzen festzustellen. Hier wurden Hügelgräber mit Beigaben sowie Steinwerkzeuge gefunden, die eine Besiedelung in der Vorzeit belegen. Ein eisenzeitliches Gehöft wurde im Stadtteil Hersel lokalisiert. Des Weiteren fand man zwei Fliehburgen in der näheren Umgebung. Diese waren recht einfache Wallanlagen, von Germanen oder Kelten zum Schutz ihrer Siedlungsbewohner errichtet. So die noch in ihren Grundrissen erkennbare Aldeburg im Walberberger Wald (Ringwall) und ein Abschnittswall auf dem Stromberg im Süden des Waldes von Rösberg nahe dem Dobschleider Hof.

Von der Landnahme und zahlreichen Dorfgründungen durch die Franken künden viele Begräbnisplätze und einige Ortsnamen, denn merowingerzeitliche Fundplätze stehen auch in räumlichem Bezug zu Orten mit dem Suffix „Heim“. Beispiele zur Verdeutlichung sind die Namen der Orte Bornheim, Mehlem, Mülheim (Bonn), Schweinheim, Stockheim, Holzem, Nieder- und Oberbachem, Ließem, Hochheim oder Stockem. Urkundlich wird der Hauptort Bornheim als „Brunheim“ im Bonngau, in der Grafschaft des Grafen Ehrenfried, erstmals am 2. August 945 genannt. Die heutige Königstraße war schon sehr früh als Teil der mittelalterlichen Heerstraße ein wichtiger Transportweg von Bonn nach Aachen. Sie wurde im Jahr 1272 als „Connixstroß“ erstmals erwähnt. Der urkundlich erstgenannte Ort innerhalb der Stadt Bornheim ist der Stadtteil Widdig, der bereits 804 als „Wittheich“ seine Ersterwähnung hatte.

Im 10. und 11. Jahrhundert kamen fast alle Dörfer mit ihren Gemarkungen als Dotationen an Klöster und freiadelige Stifte in Bonn (Cassius-Stift) und Köln (auch zum Kölner Domkapitel). Aus dem Amt der Schutzvögte, als Verwalter der Dotationen, erwuchsen die Grundherrschaften unter kurkölnischer Lehenshoheit. Als erster Kölner Ministeriale aus dem Geschlecht der Herren von Bornheim wird Wilhelm Schilling von Buschfeld, Ritter, Herr zu Bornheim, zwischen 1173 und 1198 urkundlich erwähnt. Sein Sohn nannte sich Ritter Wilhelm von Burnheim. Die Herren von Bornheim wurden wiederum zu Stammvätern verschiedener rheinischer Adelsgeschlechter, darunter den bis heute blühenden Landsberg.