隋唐时期，大运河的开凿使洛阳形成了一个漕运系统，洛阳城横跨洛、伊二水建有多座桥梁，天津桥便是隋唐洛阳城贯通南北的第一大桥。自隋唐到北宋，从洛阳经南路西行长安，天津桥是必经津梁。

天津桥初建于隋大业元年（公元605年），从《隋书·李密传》和《资治通鉴》的记载看，隋代天津桥系铺板船桥，即用两条长而粗的缆绳维系并舷而排的船只，跨岸漂于水面，形成浮桥。缆绳拴牢于两岸大桩，由铁锁连接固定于舟船首尾。有研究者根据《元和郡县志》的记载认为，这是中国桥梁史上“第一次出现了以铁链连接船只、架设浮桥的记载”。

唐贞观十四年（公元640年），天津桥改浮桥为石柱伸臂木梁桥。根据文献记载，桥身桥面为木构，墩柱以巨石垒砌，护栏为石构。唐代天津桥是洛阳城中轴线上最长最大的桥梁。按唐代一尺约合今0.3米计算，桥长195米左右。

武则天长寿年间（公元692年—公元694年）营建神都时，令李昭德改造中桥，将天津桥、中桥石柱迎水面两头砌成锐角，以减弱水流对桥柱的冲击力，保护桥梁。开元二十年（公元732年），唐玄宗又一次改造天津桥，增加整桥长度，方便两岸交通。天宝元年（公元742年）（《册府元龟》所记年代为开元二十四年）重新建造天津桥。这一时期的桥墩数量减少，间距加大，便利泄洪，减少灾害。

天津桥自建成后，上至皇帝百官，下至平民百姓，自由通行。人们过桥时，除了步行，轿子、牛车、马车等是常用的交通工具。

唐代对于河堤桥梁之建设修葺，设置“都水监”专署管理。东都交通要津天津桥的治安，归左金吾卫管理。

隋唐300多年间，天津桥是东都居民生活中不可或缺的交通要津，时人或以天津桥为平台，杜撰逸闻趣事。百官散居洛河以南数十坊里，上朝多由天津桥入皇城，大多在桥头候人、桥畔宣事，所以，桥南的开阔地段成了传播公私消息的重要地段。国家举办科举考试，天津桥畔也经常成为临时考场。天津桥还是安史之乱与朝廷平叛的见证。

北宋建隆二年（公元961年），西京留守向拱重修天津桥。与唐代所建桥柱相同，皆垒巨石为龟背形墩，以腰铁牵连石缝，使桥的整体更为坚固。据邵伯温《邵氏闻见录》记载，北宋邵雍（康节先生）建庐舍于天津桥之南。水阔桥大，景致宜人，邵雍与客在天津桥上纵步闲行，桥平稳宽阔。

在隋唐五代和北宋时期，洛河水患严重，天津桥经常被洪水冲毁，也偶遭火焚。在经历了500多年的繁华与沧桑之后，至迟于南宋高宗绍兴十年（公元1140年），依然正常使用。

明代学者都穆从洛阳县城（今洛阳老城）出发游览伊阙，在他的《游伊阙记》中记载：“离洛城五里经天津桥，桥久圮，石悉有力者取去，今易以木。”说明在明代于天津石桥故址上建设有木柱桥。

2000年6月，考古工作者在洛阳市区洛河南北两岸，今洛阳桥西侧约200米处发掘出洛河石堰与桥墩。石堰延绵数公里，连续排列的4个桥墩，跨度为15米。桥墩呈龟背形，长20余米，桥墩下垫枕木，上铺方石，联以腰铁。据此估计桥宽约20米，是洛阳考古发掘的第一座大型跨河桥梁，证实了这里便是多种文献记载、盛名远扬的隋唐东都天津桥遗址。