Територія сучасної Білогородки була заселена здавна. В селі виявлено залишки пізньотрипільського поселення (III тисячоліття до н. е.), могильник епохи бронзи (II—І тисячоліття до н. е.), посуд зарубинецької культури (II ст. до н. е.—II ст. н. е.). У VII—IX століттях тут існувало слов’янське поселення, де згодом виникло місто Білгород-Київський.
Білогородка була одним з пунктів у системі оборони від нападів кочівників. Уперше згадується він в літопису під 980 роком. На той час місто з прилеглими землями знаходилось в особистому володінні великого князя київського Володимира Святославича, тут розташовувався князівський палац.
991 року в Білгороді було збудовано фортецю, і місто стало одним з найміцніших форпостів в обороні Київської Русі від кочовиків. Розкопками Вікентія Хвойки у 1909—1910 роках та Інституту археології АН УРСР у 1947 році виявлено фортифікаційні споруди з цегли, дерева і землі, кам’яні фундаменти двох храмів, а також багато окремих знахідок, що свідчать про високий рівень господарства, техніки і культури Русі XI—XIII століттях. На той час площа дитинця Білгорода становила близько 10 га, а всіх міських укріплень — близько 85 га. Білгород був місцем перебування єпископа і тимчасовою резиденцією київських князів.
Залишки давнього Білгорода добре збереглися. Дотепер на березі Ірпеня можна бачити його потужні укріплення — глибокий рів та вал заввишки 10—12 метрів, що мав досить складну конструкцію з дерев’яних зрубів, заповнених цеглою-сирцем. Рів і вал оточували місто, яке займало площу понад 120 га. Білгород був одним із найбільших міст Русі і за своїм розміром перевищував такі давньоруські міста, як Чернігів, Переяслав, і не поступався перед багатьма середньовічними західноєвропейськими столицями.
Під захистом фортеці поруч з князівським палацом і хоромами бояр та дружинників селилися ремісники і торговці. У XI—XII століттях Білгород був значним ремісничо-торговим центром. Він стояв на торговому шляху, що йшов з Києва до Галичини, Польщі й далі на захід. На території давнього міста розкопано гончарне горно, косторізну, ковальську та інші ремісничі майстерні. Полив’яні плитки, виготовлені білгородськими майстрами, відзначалися складною орнаментацією. Білгород відігравав значну роль і в політичному житті Київської Русі. Він був тимчасовою резиденцією київських князів і місцем перебування єпископа. Білгородом намагалися оволодіти князі, які претендували на київський престол.
На початку XII століття Володимир Мономах посадив у Білгороді свого старшого сина Мстислава Великого з наміром зробити його згодом великим князем. Претендуючи на київський престол, у 1151 році місто прагнув захопити князь Юрій Долгорукий. Під стінами Білгорода не раз відбувалися бої, які вирішували долю Київської держави. Один з епізодів тривалої боротьби з печенігами відбито в легенді про «білгородський кисіль», записаній у літописі за 997 рік. У ній розповідається, як печеніги, скориставшись відсутністю Володимира Святославича, обложили Білгород. У місті почався голод. За порадою винахідливого городянина жителі викопали два колодязі, в один з них опустили діжку з киселем, у другий — з медом і почастували ними запрошених печенізьких послів. Повіривши, що сама земля годує білгородців, печеніги зняли облогу.
Про другий невдалий похід печенігів, яким завдали тут поразки дружини богатирів Альоші Поповича та Яна Усмошвеця, розповідається в літопису за 1004 рік. У 1136 році під стінами міста відбувся бій з половцями, під час якого останні були розбиті. Білгород являв собою значний культурний осередок Київської Русі. Виявлені тут житла XI—XII століть відрізнялися від звичайних будинків того часу більшими розмірами, складалися не з одного, а з двох приміщень, стіни їх нерідко були облицьовані різнокольоровими полив’яними плитками. Про велич і красу давнього Білгорода дають уяву залишки двох кам’яних храмів, зокрема церкви Дванадцяти апостолів, збудованої 1197 року. Підлога церкви була покрита різно-кольоровими полив’яними плитками, а бані — свинцевими листами. Дотепер збереглися залишки стінного фрескового розпису золотом.
Велике квітуче місто було вщент зруйноване під час монголо-татарської навали у 1240 році. Через деякий час воно відродилося.
