Zunächst lebten hier lediglich ein Dutzend Eroberer, und die Hausdächer waren aus Schilf. Ab der spanischen Besetzung wurden die Indios in Sklavenarbeit zum Städtebau herangezogen. 1542 gründeten die Spanier das Vizekönigreich Peru mit Lima als Hauptstadt, das Neu-Granada, die heutigen Länder Ecuador, Kolumbien und Venezuela, sowie Bolivien, Chile, Argentinien und Paraguay umfasste. 1551 wurde die Universität San Marcos gegründet, die erste Universität auf dem amerikanischen Kontinent. Über das 16. und 17. Jahrhundert war Lima das religiöse, wirtschaftliche und politische Zentrum der spanischen Kolonien Südamerikas.
Die Stadt wurde aber auch das Zentrum der Unterdrückungsmaßnahmen gegen die indigene Bevölkerung, mit Inquisition und Scheiterhaufen der katholischen Kirche gegen alte religiöse Bräuche, Riten und gegen die Heiler-Medizin. Die Stadt blühte unter dem ständigen Zufluss von Gold und Silber auf, das zunächst von den besiegten Inkas, dann aus den Minen der Anden stammte. Der Reichtum lockte in zunehmendem Maße Piraten an. Einer der bekanntesten war Sir Francis Drake.
Geschwächt wurde die Stellung der Stadt durch die Gründung des Vizekönigreichs Neugranada (1717) und des Vizekönigreichs Río de la Plata (1776).
1820 besiegte eine Rebellenarmee unter Führung des Revolutionärs José de San Martín die Spanier in der Schlacht bei Pisco und besetzte Lima. Am 28. Juli 1821 rief dort San Martín offiziell die Unabhängigkeit Perus aus, nachdem diese bereits 1820 in Trujillo, wo sich heute das Freiheitsdenkmal „La Libertad“ befindet, erklärt wurde. Am 3. August 1821 wurde San Martín zum Protektor der neuen Republik mit Lima als Hauptstadt erwählt. 1861 lebten in der Stadt etwa 100.000 Menschen.
Schon in der Kolonialzeit hatten die Spanier schwarze Sklaven aus Afrika geholt und später kamen Chinesen als Vertragsarbeiter ins Land. So entstand im Laufe der Jahre ein multikulturelles Völkergemisch, das entscheidend zum kosmopolitischen Flair der Stadt beigetragen hat.