יזרעאל אינה נזכרת בשום מקור קדום למקרא. עובדה זו ודלות הממצאים במקום מתקופות שקדמו לימי המלוכה בישראל מוליכות למסקנה שהיישוב באתר נוסד על ידי בני ישראל. חשיבותו של היישוב נבעה מסמיכותו לצומת הדרכים שהוליכו ממגידו ומהשומרון אל בית שאן וארץ הגליל.
בימי המלך שאול היתה יזרעאל העיר הראשית של מחוז שנשא את שמה. לפני מלחמתו האחרונה חנה שאול "בַּעַיִן אֲשֶׁר בְּיִזְרְעֶאל" (שמואל א כט, א), הלוא הוא המעיין שלמרגלות תל יזרעאל. הפלשתים נערכו מול הכוח הישראלי בשוּנֵם, למרגלות גבעת המורה (כיום הכפר סולם, הנראה היטב מתל יזרעאל). בקרב שהתפתח הִכּו הפלשתים את צבא ישראל, וזה נסוג לגלבוע, שם מצאו שאול ובניו את מותם.
יזרעאל עלתה לגדולה בימי בית עמרי. המלך אחאב בן עמרי הפך אותה לבירת החורף שלו, כנראה בגלל האקלים הנוח ששורר כאן בעונה זו. ביזרעאל התרחש המעשה בכרמו של נבות היזרעאלי (מלכים א כא). נבות סירב למכור לאחאב את כרמו, שהיה סמוך לארמון המלך. אחאב אמנם כעס, אך פעל על פי החוק והניח לנבות. אבל המלכה איזבל, אשתו הצידונית של אחאב, לא ויתרה. היא ערכה משפט מבוים שבו האשימה את נבות בכך שחילל את המלך ואת אלוהים, וגזרה עליו גזר דין מוות. הכרם עבר לרשות אחאב. כאן נכנס לתמונה אליהו הנביא. הוא הבטיח לאחאב, לאיזבל ולבני ביתם סוף רע, באומרו את הפסוק המפורסם: "הֲרָצַחְתָּ וְגַם יָרָשְׁתָּ" (מלכים א כא, יח).
נראה כי יזרעאל הייתה חביבה על מלכי בית עמרי. המלך יהורם, בנו של אחאב, נרפא ביזרעאל מפצעים אשר נפצע במלחמתו בארמים (מלכים ב ט, כג). נבואתו של אליהו התקיימה במלואה כאשר מרד יהוא ביהורם ורצח לא רק את המלך יהורם ואת איזבל אמו, אלא גם את בני משפחת המלך, גדוליו, מיודעיו וכוהניו, עד בלתי השאיר לו שריד (מלכים ב י, יא).
מאז 2012 חופרת במדרגת הקרקע שמעל למעיין משלחת חפירות יזרעאל בראשותה של ד"ר נורמה פרנקלין. בסקר מקדים גילתה המשלחת בשטח המשתרע על פני 3.5 קמ"ר מסביב לתל 25 מערות קבורה, 35 קברים חצובים בסלע, 57 מתקנים חקלאיים וממצאים רבים נוספים. בחפירות נחשף יקב מתקופת המקרא, המשתלב היטב בסיפור המקראי על יקב נבות...
לאחר תקופת הזוהר של בית עמרי ירדה יזרעאל מגדולתה. נראה כי העיר חרבה בכיבושיו של המלך האשורי תגלת פלאסר השלישי (732 לפני הספירה). בתקופה הביזנטית מזכיר אוסביוס את יזרעאל ככפר גדול בין סקיתופוליס (בית שאן) ובין לגיו (מגידו). הנוסע מבורדו מכיר במקום יישוב בשם סטרדלה (Stradela).
בראשית המאה ה-19 הושיב השליט המצרי איברהים פשה כמה משפחות מצריות במקום, שנודע אז בשם זרעין. השם הזה שומר על צליל השם של היישוב הקדום יזרעאל. נוסע בשם לורטה עבר בזרעין בשנת 1884 והותיר אחריו ציור של בית קשתות, ושרידיו עודם נראים באתר, בראש תל יזרעאל. הוא סיפר שזהו בית השיח' ושהמקום שימש גם פונדק לעוברי אורח.
במלחמת העצמאות היתה לכפר זרעין משמעות עצומה. ממרומי הגבעה חלש הכפר על הדרך הראשית מעפולה ליישובי העמק, והיה אפשר לעבור בקטע זה של הדרך רק במשוריינים. ההטרדות הרבות, שבמהלכן אף ניסו הכוחות הערביים שהתבססו בזרעין לחסום את הכביש לחלוטין, הביאו את הכוח העברי למסקנה שיש לכבוש את זרעין. ב-21 באפריל 1948 נכשל הניסיון הראשון לכבוש את הכפר, אך ב-29 במאי נכבשה זרעין, ובעקבות כך התפנו הכפרים של הגלבוע.
היישוב העברי, שיכור מהצלחה, שכח את כללי הזהירות ולא התבצר בהר. רק בזרעין התעקש מפקד המקום לחפור תעלות ולהקים גדרות. ב-10 ביולי, עם תום ההפוגה הראשונה, פלש כוח עירקי שחנה בג'נין וכבש תוך שעות אחדות חלקים ניכרים מהגלבוע ואת דרום עמק יזרעאל. רק בזרעין נחסם השריון העירקי. במאמץ עילאי, בלילה האחרון שלפני ההפוגה השנייה, עלו בני יישובי העמק אל פסגות הגלבוע וקבעו בכך את גבולה של ישראל בהר.