Antiquité
Le village s'implante sur la voie romaine dite chaussée Jules César, qui relie Lutèce à la Manche. Le long de cette voie, on trouve des monnaies romaines en 1879 et de grandes bornes gravées en forme d'obélisques en 1882.
En 1901, les travaux de creusement du drain de Liesse exhument les vestiges d'une nécropole gauloise de la culture de La Tène. Les tombes contiennent, entre autres, des parures en bronze : torques, colliers, bracelets, fibules.
Temps modernes
Composé exclusivement de plusieurs variétés de sables, le sol ne produit que du seigle et du bouleau. Les habitants se spécialisent dans la fabrication de balais. Bien qu'une grande partie du territoire soit stérile, quelques vignes croissent à la limite de Saint-Ouen-l'Aumône. En 1750, l'abbé Lebeuf qualifie les terres de « pauvres et couvertes de bois ».
Au XVIIe siècle, l'ouverture de la route royale de Paris à Rouen, future RN 14, entraîne la création d'une petite agglomération au lieudit la Patte d'Oie d'Herblay. Pierrelaye se trouve à l'écart de cette voie et le demeurera pendant deux siècles. Jusqu'aux grands défrichements du XVIIIe siècle, son territoire reste en grande partie boisé. On pratique l’élevage de moutons. Sous Louis XIV, la paroisse compte 320 habitants. En 1733, elle recrute son premier maître d’école. Un moulin à vent se dresse près de l'angle de la rue d'Herblay et de l'avenue du Général-Leclerc.
Époque contemporaine
Essentiellement consacrée à la culture maraîchère, la commune connaît un désenclavement au XIXe siècle avec l'arrivée du chemin de fer qui relie Paris à la frontière belge. La ligne est achevée en 1846 mais la gare de Pierrelaye n'est ouverte qu’en 1881 : certains habitants assurant les transports redoutent la concurrence de ce nouveau moyen de locomotion et, pour éviter de perdre leur clientèle, arrachent de nuit les traverses posées la veille…
En 1848, l'actuelle rue Georges Boucher relie le bourg à la route royale. L'ouverture de la gare favorise le développement agricole, les cultivateurs pouvant désormais expédier rapidement leur production vers Paris.
L'hôtel-de-ville est construit en 1901, le groupe scolaire Jean-Nicolas Leveau en 1934.
En 1960, la SA HLM Le Foyer pour Tous réalise un programme de 140 logements sociaux répartis place de la Gare et dans le quartier des Petits-Bois. Suivent, en 1972, la construction de 380 logements au Clos Saint Pierre et le lotissement en pavillons de terrains non irrigables. L'urbanisation se poursuit dans les années 1980, avec des équipements comme la protection maternelle et infantile (PMI), de nouvelles écoles et une salle polyvalente.
Dans les années 1990, la ville subie une énorme extension grâce à la construction d'un quartier d'une superficie de 6 000 m2 incluant 67 logements au Drain qui longe des deux côtés la Ru de Liesse et la création du Parc des Six Arpents incluant avec celui-ci une résidence de 33 logements sociaux locatifs et d'une maison de retraite (Résidence Les Lys) en face de celui-ci.
En 2018, est inauguré une partie du quartier du Bocquet, qui permet à nouveau une extension de la ville sur 6 000 m2 avec la création de 185 logements et d'un groupe scolaire (Louise-Michel).
Le schéma directeur d'aménagement et d'urbanisme (SDAU) de la ville nouvelle de Cergy-Pontoise limite le développement de Pierrelaye, considéré comme un réservoir de terres agricoles et d’espaces verts.
Pendant un siècle, la plaine de Pierrelaye-Bessancourt où se concentrent les cultures maraîchères est amendée par épandage des eaux usées de Paris puis du SIAAP. En 2018, le site est déclaré « multi-pollué »,. Une forêt de 1 350 hectares plantée d'un million d'arbres, s'étendant sur les communes voisines, devrait être créée d'ici à 2050.
À compter des années 1980, une vaste zone d'activité commerciale se crée à la Patte d'Oie d'Herblay le long de l'ex-RN 14 (actuelle RD 14), en partie sur le territoire de la commune. L'urbanisation se poursuit en centre-ville et le long de la route de Bessancourt, accompagnée de nouveaux équipements collectifs (crèche et halte-garderie ; écoles ; bibliothèque ; centre de loisirs ; gymnase ; parc des sports ; tennis couverts ; salles municipales ; extension des services techniques…).
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