Впервые Белоозеро упоминается во вступительной части общерусского летописного свода — «Повести временных лет» — в статье под 862 годом. Однако достоверность описываемых в «Повести временных лет» ранних событий до сих пор остается признанной далеко не всеми исследователями. По данным археологических исследований Белозерской экспедиции Института археологии Академии наук СССР, Онежско-Сухонской экспедиции Института археологии Российской академии наук, поселение на истоке Шексны из Белого озера возникло в середине X века, а к концу этого столетия занимало уже около 1,4 гектара.

В дальнейшей истории Белоозера выделяются два периода быстрого роста территории и развития жизни в городе. Первый из них относится к XI веку. За это столетие площадь города увеличилась в 5 раз. Второй этап значительного увеличения городской территории приходится на вторую половину XII — начало XIII века и совпадает с периодом наивысшего расцвета Белоозера.

Торговля имела огромное значение в развитии этого города. Само расположение на северном отрезке Великого Волжского пути имело определяющее значение для роста поселения и его превращения в городской ремесленный центр. Основой местного экспорта являлась пушнина. Находки бус староладожских типов VIII–X веков, фризских гребней свидетельствуют о ранних связях Белоозера со странами Севера Европы, вовлеченными в торговлю.
  
В Х веке с приходом славян район Белоозера подключился к днепровской торговой магистрали. В начальный период своего существования, в X–XI веках, Белоозеро было поселением ремесленников. Литьё из металла, ковка, обработка дерева, косторезное дело, гончарное дело — все эти ремесла можно встретить в Белоозере. Жители также занимались сельским хозяйством и различными промыслами, в первую очередь рыболовством.

При раскопках Белоозера обнаружено более 300 предметов христианского культа. Город являлся крупнейшим центром распространения христианства на Русском Севере в X–XIII веках. Перенос города на современное местоположение произошел в XIV веке. Долгое время считалось, что основной причиной послужили эпидемии чумы в XIV веке. Однако археологические исследования показали, что резкое сокращение плотности застройки и падение интенсивности жизни в городе произошло в конце XIII — начале XIV веков. В конце XIII века город переживал хозяйственный кризис, обусловленный истощением природных ресурсов и существенным увеличением количества населения. Не имея возможностей для развития сельского хозяйства старый город угас и возник на новом месте, где находится и сейчас.