Der Hügel wurde bereits in der Frühen Bronzezeit besiedelt, wie Tiefengrabungen ergeben haben. Darauf folgen Schichten der Mittleren und Späten Bronzezeit. Während der Späten Bronzezeit gehörte Gordion zum Reich der Hethiter. Auch diese Periode der Besiedlungsgeschichte des Hügels ist erst sporadisch erforscht. Die Funde haben eindeutig hethitischen Charakter. Zu Beginn des 12. Jahrhunderts v. Chr. wurde Gordion offenbar verlassen.

Wahrscheinlich relativ bald und noch im 12. Jahrhundert v. Chr. erfolgte eine Wiederbesiedlung durch neue Bevölkerung, deren Keramik zunächst teilweise Parallelen zur Keramik der gleichzeitigen Schicht VII b1 (zweite Hälfte 12. Jahrhundert v. Chr.) von Troja aufweist. Es sind aber auch andere, eventuell alt-anatolische Elemente bei den neuen Bewohnern anzutreffen. In geringem Umfang könnten auch – die Befunde sind widersprüchlich – in der frühen Phase hethitische Traditionen fortgeführt worden sein. Mehrere Schichten dieser früh-eisenzeitlichen Besiedlung sind unterschieden worden. Diese Phase geht dann ohne kulturellen Bruch in die sogenannte älterphrygische Besiedlungsphase über. Nur diese und die nachfolgenden Phasen sind bisher gründlich untersucht.

In der älterphrygischen Phase wurden viele prächtige Gebäude in Megaron-Form errichtet. Vor dem Hauptraum befand sich ein halb abgetrennter Vorraum. Ein „Palast“ konnte nicht identifiziert werden, denn keines dieser Gebäude hebt sich in seinen Ausmaßen eindeutig von den übrigen ab. Vermutlich gehörten aber alle Bauten des Siedlungshügels zum Herrscher- bzw. Verwaltungsbezirk. Innen waren die Häuser teilweise sehr reich dekoriert, einige haben nachweislich ein Obergeschoss besessen. Durch die älterphrygische Oberstadt verliefen Mauern, deren Funktion noch nicht geklärt ist. Umgeben war die Oberstadt von einer mächtigen Mauer, deren Nordtor gut erforscht ist. Es handelt sich um eine Bastion, die ihre stärksten Parallelen in den Befestigungen von Troja VI hat. Das ist bemerkenswert, denn die Errichtung der Stadtmauern Gordions erfolgte mehrere Jahrhunderte später als in der VI. Stadt Trojas. Auch wenn das Nordtor Gordions vier Bauphasen hat und man die früheste für das 10. Jahrhundert. v. Chr. annimmt, fehlen zeitliche und räumliche Bindeglieder zwischen der Befestigung von Troja VI und Gordion. Die phrygischen Bauten wurden zumeist in einer Art Fachwerkbau konstruiert: Holzbalken stützten Steinmauern und Lehmziegelaufsätze. Ein großes Projekt zur Neugestaltung der Oberstadt war mitten im Gange, als das älterphrygische Gordion völlig zerstört wurde.

Bis zum Beginn des 21. Jahrhunderts nahm die Forschung an, dass das sogenannte älterphrygische Gordion kurz nach 700 v. Chr. endete. Aus assyrischen und griechischen Quellen ist zu entnehmen, dass die Kimmerier 697 oder 676 v. Chr. für eine Zerstörung Gordions verantwortlich waren. Mit der Eroberung Gordions brach auch das Phrygerreich zusammen. Neue naturwissenschaftliche Datierungen haben ergeben, dass diese Siedlungsphase Gordions bereits um oder kurz vor 800 v. Chr. ein gewaltsames Ende fand.[1] Die Neudatierungen wurden von Oscar White Muscarella mehrmals energisch kritisiert,[2] werden aber durch 14C-Daten aus den eisenzeitlichen Schichten in Ḫattuša gestützt.[3]

Nach der Zerstörung wurde Gordions Oberstadt bald neu gebaut. Dabei wurden die zerstörten Gebäude der älterphrygischen Phase künstlich mit einer bis zu 10 Meter dicken Schuttschicht bedeckt, auf der dann das neue „mittelphrygische“ Gordion errichtet wurde. Dessen Gebäude ähneln denen der älterphrygischen Phase stark, teilweise weisen sie sogar die gleiche Ausrichtung auf. Am Übergang von der mittelphrygischen (ca. 800–550 v. Chr.) zur achämenidischen Phase (ca. 550–330) geriet Gordion unter persische Herrschaft. Auf dem Siedlungshügel soll eine persische Garnison stationiert gewesen sein.

Da sich die Ausgrabungen lange Zeit auf die Untersuchung der älteren Siedlungsphasen konzentrierten, ist das Gordion der persischen und hellenistischen Zeit wenig erforscht. In den letzten Jahren sind aber eine Reihe keltischer Artefakte ans Licht gekommen, die belegen, dass Gordion in hellenistischer Zeit von Galatern besiedelt worden war. In römischer Zeit verlor Gordion immer mehr an Bedeutung und wurde schließlich verlassen und vergessen, bis es Ende des 19. Jahrhunderts wiederentdeckt wurde.