Освоение окрестностей Сарова началось намного раньше, чем были составлены самые древние исторические хроники. В то время сама письменность ещё не была изобретена. Поэтому наши знания о начальном этапе местной истории основаны исключительно на изучении археологических находок.

Среди пёстрого конгломерата культурных остатков эпохи бронзы археологи без особого труда выделяют предметы, принадлежащие племенам «боевых топоров и шнуровидной керамики» (предков славян, балтов, германцев) по находкам так называемой шнуровой керамики (посуды, орнаментированной с помощью оттисков шнура) и боевых сверлёных топоров из камня. Оставленные ими памятники - грунтовые могильники - на верхней Волге объединены в фатьяновскую археологическую культуру (названную по могильнику, раскопанному Уваровым А.С. у села Фатьяново Ярославской губернии в 1873 г.). Обязательным атрибутом мужских погребений были каменные сверлёные топоры. Целую коллекцию таких изделий собрали школьники села Суворово Дивеевского района Нижегородской области при строительстве нескольких зданий в центре села. О пребывании фатьяновцев в Саровских окрестностях свидетельствуют и находки, обнаруженные вблизи деревни Большое Череватово.

Другая культура, связанная с общностью «боевых топоров», - балановская. Она объединяет памятники Средней Волги. Своё название она получила по могильнику у села Баланово в Чувашии. Стоянка балановской культуры, обнаруженная при раскопочных работах на улице Пушкина в Сарове, является древнейшей из известных на территории города. Она датируется в пределах первой половины - середины II тыс. до н.э. Поселение располагалось на берегу небольшого ручья, впадающего в реку Саровку. К сожалению, культурный слой этого древнейшего Саровского поселения был в значительной степени разрушен ещё в средние века.

В эпоху раннего железного века история освоения Саровской округи напрямую связана с городецкими племенами, заселившими обширные пространства к югу от устья Оки до верховьев Дона в период с 7 века до н.э. по 2 век н.э. К этому периоду относится широкое распространение укреплённых поселений и в окрестностях Сарова. В 1993 году следы поселения городецкой культуры были обнаружены на территории Сарова. Оно занимало западную периферию мыса между реками Саровки и Сатисом. Позднее эта территория стала частью большого средневекового Саровского городища, а в XVIII веке была застроена храмами и келейными корпусами монастыря.

При проведении первых археологических работ на территории города в сквере на проспекте Мира были обнаружены фрагменты лепной посуды с характерными текстильными отпечатками. Вал, на котором стоит знаменитая саровская колокольня, скорее всего, был насыпан ещё в середине - второй половине 1-го века до н.э.

В эпоху средневековья земли, окружающие Саров, были заселены мордовскими племенами. Под асфальтовыми мостовыми советской эпохи и прослойками строительного мусора монастырского времени археологами были зафиксированы культурные напластования, связанные с функционированием крупнейшего средневекового мордовского поселения предмонгольского периода XII-первой половины XIII века. Сведений о нём в письменных источниках не сохранилось, но на основании археологических раскопок можно сделать вывод, что Саровское городище относится к числу, так называемых, «протогородских» поселений. Они отличаются сочетанием многофункциональности с отсутствием элементов общественного благоустройства (мостовых, бань, и пр.) и недостаточно выраженным социальным и имущественным расслоением местных жителей.

Жизнь на Саровском городище пресеклась в результате вражеского нападения в первой половине XIII века. В этот период из достаточно плотно заселённой области Саровские места вместе с большей частью всего Мокшанско-Тёшинского междуречья превратились в почти необитаемую пустошь.

Отпечатков периода Золотой Орды (конца XIII-XIV веков) на территории Саровского городища обнаружено не было. Несколько столетий после гибели Саровской крепости её ближайшие окрестности пребывали в запустении.

После монгольского нашествия в Саровских окрестностях в течение нескольких столетий сформировался новый состав местного населения. В него входили тюркоязычные татары - выходцы из остепнённых областей Золотой Орды. Основной этнической составляющей долгое время оставалась финноязычная мордва. Следы её пребывания здесь в XIV-XV веке зафиксированы на Итяковском городище и на селище Полянки. Вблизи устья реки Сатис у деревни Торжок известен мордовский могильник XVI-XVII века. С середины XVII века резко возросла численность местного русского крестьянства.

Во второй половине XVII века сюда пришли первые монахи, а в XVIII веке на мысу, разделённом древними валами на отдельные площадки-«города», были построены храмы и келейные корпуса монастыря Саровская пустынь.