จากหลักฐานทางโบราณคดีพบว่า มีชุมชนโบราณซึ่งเป็นร่องรอยของมนุษย์ก่อนประวัติศาสตร์ตั้งแต่ยุคหินใหม่ต่อเนื่องมาถึงยุคสำริด และยุคเหล็ก กระจายอยู่ทั่วไปในจังหวัดนครราชสีมา โดยมีแหล่งโบราณคดีที่สำคัญคือ ชุมชนบ้านปราสาท ชุมชนบ้านโนนวัด แหล่งภาพเขียนสีเขาจันท์งาม ซึ่งกำหนดอายุได้ประมาณ 4,500 ปีมาแล้ว
ครั้นถึงสมัยประวัติศาสตร์ ได้เกิดมีความเจริญรุ่งเรืองมาตั้งแต่สมัยทวารวดี ซึ่งมีศูนย์กลางอยู่ที่เมืองเสมา ตั้งอยู่บริเวณอำเภอสูงเนินในปัจจุบัน เป็นเมืองใหญ่เชื่อกันว่าเป็นที่ตั้งของรัฐศรีจนาศะ ต่อมาในสมัยขอมพระนครมีการสร้าง เมืองโคราช หรือ นครราช อยู่ในบริเวณเดียวกัน และ มีเมืองพิมายเป็นเมืองสำคัญของขอมในบริเวณนี้
มีผู้เสนอว่าอาจมีความเป็นไปได้ที่ เมืองนครราช คือเมืองเดียวกันกับเมืองราด ของพ่อขุนผาเมือง เนื่องจากมีความสัมพันธ์ใกล้ชิดกับเมืองพระนครหลายประการ นอกจากนี้รูปสลักกองทัพชาวสยามบนระเบียงด้านหนึ่งของ นครวัด อาจเป็นชาวสยามจากลุ่มแม่น้ำมูลที่เกี่ยวข้องกับเมืองนครราช และยังมีการกล่าวถึงเมืองนครราชสีมาในพงศาวดารของกัมพูชาหลายครั้งด้วย อย่างไรก็ตาม ผู้ที่มีมุมมองอีกด้านหนึ่งก็ว่า นครราชสีมา นั้นเป็นคำไทยเป็นคำใหม่ แยกเป็นคำได้คือ นคร, ราช และ สีมา หมายความว่า "เมืองใหญ่อันเป็นขอบขัณฑสีมาของราชอาณาจักร" (ราช+สีมา) ส่วนคำว่า โคราช (สำเนียงถิ่น: โค-หฺราด , ไทยกลาง: โค-ราด, เขมร: โก-เรียช ) นั้น น่าจะเพี้ยนมาจาก นครราช (อ่านตามสำเนียงว่า คอน-หฺราด ซึ่งเป็นคำเรียกนครราชสีมาแบบย่อ ๆ ของชาวบ้าน) หรือ อังกอร์เรียจ ต่อมาลดรูปเป็น กอร์เรียจ และเพี้ยนเป็นโคราช ในที่สุด มากกว่าที่จะเพี้ยนมาจากโคราฆปุระ ที่เป็นชื่อเมืองสมัยใหม่ในแคว้นเดียวกับเมืองอโยธยา ในอินเดีย ตามข้อสันนิษฐานของ[สมเด็จกรมพระยาดำรงราชานุภาพ]