Sarıcakaya'da Hititler ve Frigyalılar döneminde bölgede yerleşim olduğuna dair izler bulunmaktadır. Daha sonrasında Lydia (M.Ö. 676-546), Pers (M.Ö. 546-331), Helenler (M.Ö. 331-281), Galatlar (M.Ö. 280-189) ve Roma İmparatorluğu (M.Ö. 189-395) dönemleri bu topraklarda yaşanmıştır.
Roma ve Bizans dönemlerinde, sadece İstanbul'dan Anadolu ve Suriye'ye geçen ana yolun uğrak yeri olan Eskişehir (Dorylaion), VI. yüzyılda artan sosyal hareketlilikle önem kazanmaya başlamıştır. Bizans döneminde Orta Sakarya Vadisi, etkin bir şekilde yerleşilen bölgelerden biriydi. VIII. yüzyıl başlarında Arap saldırılarına maruz kalan bölge, kısa süreli Arap egemenliğinden sonra tekrar Bizanslılar tarafından ele geçirilmiştir.
Araplardan sonra bölge Türk akınlarına uğramış ve Miryakefolon Savaşı'nın (1176) ardından yapılan antlaşma gereği Bizanslılar Eskişehir'i terk etmiştir. Ancak Türklerin bu topraklarda tam anlamıyla egemen olması 1196 yılından sonra gerçekleşmiştir.
XII. yüzyılda Anadolu Selçukluları, Konya'yı merkez yaparak Anadolu'da bir kalkınma hareketi başlatmış, Marmara tarafına yapılan akınlar için Eskişehir'i kışlak yeri olarak kullanmıştır. Bu nedenle Eskişehir ve çevresindeki araziler "Sultanönü" olarak adlandırılmıştır.
Eskişehir bölgesi, Anadolu'nun Moğol hakimiyetine girişinde Moğol baskısından kaçan binlerce Türk'ün yerleşim yeri olmuştur. Bu dönemde bölge, Moğol Valisi Coraoğlu Nurettin'in yönetimi altındaydı ve büyük bir şekilde geliştirilmişti.
Selçuklular döneminde Eskişehir, uluslararası ticaretten büyük kazançlar sağlayan ticaret yolları üzerinde yer almaktaydı. Bu dönemde Türkmen gruplarının bu bölgeye yerleşmesi, Osmanlı Beyliği'nin doğuşuna yol açmıştır.
Bu dönemde Akarsu çevresindeki düzlükler, verimli tarım alanları olduğu için kır yerleşiminde önemli rol oynamıştır. Bu nedenle Sultanönü Sancağı'nda köy yerleşmeleri oldukça yaygındı. Bu gün de Sakarya Nehri boyunca yer alan ve Eskişehir İli'nin kuzey sınırını oluşturan köylerin varlığı, 1460 tarihlerinden beri bilinmektedir. Özellikle Orta-Sakarya Vadisi'nin ana yollardan uzak olması, bu yerleşimlerin bozulmadan günümüze kadar varlığını sürdürmesini sağlamıştır (örneğin Beyköy, Küplü, Laçin, Bozaniç, Gümele, Ilıca, Alpagut).
XVIII. yüzyılın ikinci yarısında Söğüt ve Göynük dağlarında yaşayan konar-göçer aşiretlerin yerleşik hayata geçmeye başlamasıyla Orta Sakarya'da hem mevcut yerleşimlerin nüfusu artmış hem de yeni yerleşim yerleri ortaya çıkmıştır.
Sarılar ve Baraklar aşiretlerinin bugünkü Sarıkaya ve Camikebir Mahallelerinde kurdukları ve daha sonra birleştirdikleri varsayılan Sarıcakaya (Burnaklar Köyü) ne zaman tam olarak kurulduğu bilinmemekle birlikte, Tanzimat'tan önce İzmit Sancağı'nın Göynük Kazasına bağlıydı. Daha sonra 1884 yılında Söğüt'e bağlanmıştır.
Sarıcakaya'nın eski adı
Cumhuriyet döneminde, Eskişehir'in 1925 yılında vilayet statüsüne kavuşmasının ardından, 17 Nisan 1957 tarihinde çıkarılan 7033 sayılı kanunla adı değiştirilen Sarıcakaya (eskiden Burnaklar), 1 Nisan 1958'de Eskişehir'e bağlı bir ilçe merkezi olmuştur.
