Çaycuma, Bitinya ile Paflagonya olarak adlandırılan iki eskiçağ bölgesinin birleştiği noktada yer almaktadır. İki bölgenin sınırını kimi kaynaklara göre Filyos, kimine göre de Bartın Irmağı oluşturmaktadır. Buna göre ırmakların batı yakası Bitinya, doğu yakası ise Paflagonya olarak adlandırılır. Hititlerden Friglere, Lidyalılardan Perslere, Romalılardan Bizanslılara birçok devletin hükümran olduğu bölge, farklı kültür ve medeniyetlerin yaşam alanı bulduğu önemli bir yerleşim alanıdır.

Havalide, “Palalar” adı verilen ve “Palaca” konuşan bir ulusun yaşadığından söz edilirken, bazı kaynaklar Devrek’ten Çaycuma’ya uzanan havzaya, Hititler döneminde, “Palla” adı verildiğini belirtilmektedir.⁽¹⁾ Bölgeyle ilgili bilenen en eski bilgi, M.Ö. 1200 yıllarına dayanır. Bu tarihte Balkanlar’dan Karadeniz kıyılarına doğru göç eden Balkan kökenli Frigyalılar bölgeyi ele geçirir. Daha sonra Batı Karadeniz sahillerini istila eden Kimmerler, Frigyalıları yener ve coğrafyanın yeni sahibi olur. Bölgede egemenlik kuran bir başka ulus da Lidyalılardır. M.Ö. 6. yüzyılda, Kızılırmak’a kadar sınırlarını genişleten Lidya Devleti, Bitinya ve Paflagonya bölgelerini de sınırları içine katar.⁽²⁾

Çaycuma’nın antik çağlardaki en önemli yerleşim alanı olan Filyos kentinin, Miletos’dan gelen kolonistlerce, M.Ö 7. yüzyılda, kurulduğu kabul edilir. Kentin, başlarında Tios adında bir rahip bulunan Miletoslular tarafından kurulduğu ifadesi birçok kaynakta yer alır. Antik çağların ünlü tarihçisi Arrianus Filyos için “Ion menşeili bir Grek kenti” tabirini kullanırken kentin adı farklı kaynaklarda farklı şekillerde söylenir. Memnonis ve Pomponius Mela “Tios” olduğu konusunda hemfikirken, Claudius Aelianus  ve Ptolemy “Tion”, Plinius “ Tium”, Strabon ve Skylax  ise “Tieion” olduğunu belirtir. ⁽³⁾

Strabon kentte “Kaukon” adıyla bilinen bir kavmin de yaşadığını belirtmektedir. Bölgede Kaukonların dışında “Bebrykler” adlı bir kavmin daha yaşadığı ve bunların Erken Demir Çağı’nda bölgeye gelen Frigler’in kalıntıları olduğu da bazı kaynaklarda bulunmaktadır. Tios’u da içine alan Batı Karadeniz bölgesi, M.Ö. 7. yüzyılda Kimmerler’in istilasına uğrar. Kimmerler’den sonra bölgede bir müddet Lidya egemenliği görülür. Lidyalılar’ı sırasıyla Persler ve Bithynialılar takip eder. ⁽⁴⁾

Kent ilk defa M.Ö. 4. yüzyılda, Herakleia Pontike’nin (Ereğli) egemenliği altında sikke basmaya başlar. Herakleia Tiranı Dionysios’un ölümünden sonra tahta geçen karısı Amastris’in kendi adıyla kurduğu birliğe katılsa da kısa süre sonra ayrılır. Bir müddet Bithynia Krallığı’nın egemenlik alanı içinde kalan antik kent, VI. Mithridates zamanında Pontus Krallığı’nın işgaline uğrar. Uzun yıllar boyunca bazen Pontus bazen de Bithynia devleti arasında el değiştiren kent M.Ö. 70 yılında Romalı General Aurelius Cotta tarafından Roma’nın egemenliği altına alınır. Tios-Tieion, Bizans İmparatorluğu döneminde bir piskoposluk merkezi olarak dikkat çeker. ⁽⁵⁾

Antik çağlar boyunca Karadeniz’de önemli bir liman kenti durumunda olan Tios-Tieion, nehir ve deniz taşımacılığı sayesinde balık, şarap, tahıl gibi ürünlerin ticaretinin yapıldığı bir merkez durumundadır. O çağlarda adı “Billaios” olan Filyos Nehri’nin denizle buluştuğu noktada oluşturduğu delta ile nehir vadisi boyunca uzanan bereketli araziler kente çok büyük bir zenginlik katar. Billaios Nehri ayrıca ticari bir suyoludur. İç bölgelerden elde edilen katma değeri yüksek ürünler, nehir vasıtasıyla limana getirilip, buradan başka ülkelere nakledilir. Antik kaynaklara göre, Tios halkının geçim kaynakları arasında deniz-nehir ticareti, tarım, balıkçılık ve şarap üretimi bulunmaktadır. ⁽⁶⁾

Roma İmparatorluğu, M.S.395’te, dini tartışmalar sonucu Batı ve Doğu Roma İmparatorluğu şeklinde ikiye ayrılınca, Anadolu, aynı zamanda Bizans Devleti olarak da bilinen Doğu Roma İmparatorluğunun sınırları içinde kalır. Anadolu’nun diğer birçok bölgesi gibi, Paflagonya ve Bitinya bölgeleri de ilk dönemlerden beri Müslüman Araplarla Bizanslılar arasında mücadele alanıdır.  714’te Abbas b. Velid komutasındaki Emevilerin, 831’de Abbâsî Halifesi Memûn’un Anadolu’da çıktığı fetih hareketlerinde Karadeniz Ereğli’sine kadar geldikleri bilinmektedir. Ancak, bu fetihler kalıcı olmayıp, sadece askeri ve siyasi üstünlük sağlamak amacıyla yapılmış girişimlerdir. ⁽⁷⁾

1071 Malazgirt Savaşı’ndan sonra Türk boyları kitleler halinde Anadolu’ya akmaya başlar. 1075’te Anadolu Selçuklu Devleti kurulurken kimi tarihçilere göre Sultan Alpaslan’ın, kimilerine göre Süleymanşah’ın komutanlarından Emir Karatekin, Sinop ve Çankırı’dan sonra, 1084’te, Ulus, Bartın, Devrek topraklarını da ele geçirir. Ancak iç karışıklıklardan yararlanan Bizanslılar bölgeyi tekrar geri alır. 13. yüzyılın sonlarına doğru Ereğli dışında Batı Karadeniz’in tamamına yakını Türklerin eline geçmiştir. Bu dönemde Çaycuma bölgesine Çobanoğulları Beyliği hâkimdir. Ancak bu hâkimiyet uzun sürmez. 1309’da bölgeyi ele geçiren Candaroğulları Beyliği, Çobanoğullarının egemenliğine son verir. Bir müddet Osmanlıların eline geçen bölge, Yıldırım Bayezid’in, 1402’deki Çubuk Savaşı’nda Timur’a yenilmesi üzerine yeniden el değişir. Egemenlik alanlı Sinop’la sınırlı kalan Candaroğulları Beyi İsfendiyar, savaşı kazanan Timur’un hâkimiyetini tanır. Bunun karşılığında da eski toprakları kendisine geri verilir, bölge, böylece yeniden İsfendiyaroğulları olarak da bilinen Candaroğullarının hâkimiyetine girer. Bölgenin tümüyle Osmanlı topraklarına katılması, Candaroğulları Beyliği’ni de ortadan kaldıran Fatih Sultan Mehmet döneminde gerçekleşir.

“Çeharşenbe” (Çarşamba) nahiyesi olarak Osmanlı idari sisteminde yer alan Çaycuma’nın, 1519 ve 1530 yıllarına ait tahrir defterlerinde Bolu livası Hızırbeg İli sancağının Devrek kazasına bağlı bir nahiye olduğu görülmektedir. ⁽⁸⁾ Yerel tarihçi Sadi Uyar’ın bir makalesinde verdiği bilgilere göre, 1620’den itibaren, idari yönden Hızırbeg İli diye tanımlanmayan bölgenin kariyelere bölündüğünü, bu kariyelerinse, Devrek, Çarşamba, Yılanluca, Dirgene-ma’a Sekiz Divan, Hisarönü olduğunu yazar. Uyar aynı makalesinde, 1694 Yıllarında ağırlaşan vergilere karşı halkın tepkisinin oluştuğunu belirterek, Bolu sancağının her kazasında seçilen birer vekil Edirne’de defterdar Halil Efendi sarayında , kadı askerlik mahkemesince gönderilen kadı Hızır Efendi bin Osman Efendi’nin riyaset ettiği bir oturumda vergilerden indirimi gidilmesi hususunda pazarlık edildiğini yazar. Bu pazarlığa Çarşamba kazası ahalisinden Osman bin Halil ve Hisarönü kazası ahalisinden Ali bin Hüseyin katılmıştır. Uyar’ın Çaycuma ile ilgili verdiği bir diğer bilgi ise 1700’lü yılların ilk çeyreğinden itibaren ele geçen pek çok belgede Çarşamba’dan kaza diye söz edildiği yönündedir. ⁽⁹⁾

1800’lü yıllar Çaycuma’nın idari statüsünün sık sık değiştiği yılardır.  Tarihi kayıtlara göre, 1831 yılında yapılan Osmanlı İmparatorluğu’nun yalnız erkelerin sayıldığı ilk nüfus sayımında Bolu sancağına bağlı Çarşamba kazasının nüfusu 4047’dir.⁽¹⁰⁾ 1850’li yılarda yeni kurulan Viranşehir sancağına bağlanan Çarşamba nahiyesi aralarda küçük idari değişiklikler olsa da 1864’te çıkarılan Vilayetler Nizamnamesi’ne kadar bu statüsünü korur. 1864’ten sonra bölgenin kaderi gibi idari yapısını da belirleyen madenciliktir. İhtiyacı gibi giderek üretimi de artan kömürün çıkarılması için gerekli amele, direk ve hayvanların daha kolay temin edilip, naklinin yapılabilmesi için Ereğli, kaza haline getirilir. Çarşamba, Bartın ve Devrek kazaları 5 Ocak 1866’da Ereğli’ye bağlanır. O dönemlerde ilçenin bugünkü yerinde 50-60 hanelik bir köyün olduğu, daha sonra yapılan idari yapılanmada nahiye olarak gösterildiği bilinmektedir.

1869’da Bartın kazasına bağlansa da, Devrek nahiyesinin bağlı bulunduğu Bolu kazasına uzak olması nedeniyle hizmetlerin yürütümünde büyük sorunların yaşanması, bölgede, yeni bir düzenlemeyi gerekli kılar. Çarşamba, 1887’de, Devrek ile birleştirilip Hamidiye adıyla yeni bir kaza oluşturulur. 2. Abdülhamid’e izafeten ismi Hamidiye olan kaza merkezinin uzun tartışmalar sonrasında Devrek olmasına karar verilir ve Çaycuma idari taksimatta Hamidiye’ye bağlı nahiye olarak yer almaya devam eder.

1889 tarihli Kastamonu Vilayeti Salnamesinin 19. sayfasında Çarşamba hakkında şu bilgiler yer alır: “Devrek kadar muntazam olup, kasaba içinde 2 çarşı, 2 cami, 1 kilise ve 1 hamam vardır.”

Yine 1902 tarihli Kastamonu Vilayeti Umumi Salnamesi’nde, Çarşamba nahiyesinin Bolu sancağına bağlı kaza haline getirilen Zonguldak’a bağlandığı belirtilmektedir.

11.12.1911 tarihinde, yazışmalarda adı Samsun sancağı dahilindeki Çarşamba kazasıyla karıştığı için Çaycuma olarak değiştirilir. ⁽¹¹⁾

Bolu Müstakil Mutasarrıflığının ilk kez düzenleyip 1332’de (1916) yayınladığı Bolu Divanı Salnamesinde Çaycuma için, “Bolu dahilindeki nahiyelerin en muntazamı ve en büyüğüdür. 31 köyü, 11600 İslam, 370 Rum, 34 Ermeni olmak üzere toplam 12004 nüfusu vardır. Nahiye merkezi Çaycuma muntazam bir çarşı, 2 cami, 1 medrese, 3 sınıflı iptidai mektep ile 1 kilise ve 1 Rum iptidai mektebi, han, hamam gibi ihtiyaç hissedilen binaları ihtiva etmektedir. Bu durumuyla bazı kaza merkezlerinden çok farklı bulunmaktadır. Ahali pek istidatlı ve kabiliyetlidir. İlçe muhtelif tarihlerde değişiklik ve yeniliklere uğramışsa da tarihi değeri yoktur” denmektedir.⁽¹²⁾