เทศบาลนครบุรีรัมย์จัดตั้งขึ้นครั้งแรกเป็นเทศบาลเมืองในชื่อ เทศบาลเมืองบุรีรัมย์ ตามพระราชกฤษฎีกาจัดตั้งเทศบาลเมืองบุรีรัมย์ จังหวัดบุรีรัมย์ ซึ่งตราขึ้นเมื่อวันที่ 11 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2479 ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระปรเมนทรมหาอานันทมหิดล พระอัฐมรามาธิบดินทร ซึ่งในขณะนั้นมีพระวรวงศ์เธอ พระองค์เจ้าอาทิตย์ทิพอาภา, เจ้าพระยายมราช (ปั้น สุขุม) และพลเอก เจ้าพระยาพิชเยนทรโยธิน (อุ่ม พิชเยนทรโยธิน) เป็นคณะผู้สำเร็จราชการแทนพระองค์ และมีพระยาพหลพลพยุหเสนา (พจน์ พหลโยธิน) เป็นนายกรัฐมนตรี โดยได้ประกาศในราชกิจจานุเบกษาเมื่อวันที่ 14 กุมภาพันธ์ พ.ศ. 2479

ต่อมาเมื่อท้องถิ่นเจริญขึ้น มีชุมชนอยู่หนาแน่นทั้งในเขตและนอกเขตเทศบาลที่ต่อเนื่องกัน สมควรปรับปรุงเขตเทศบาลเสียใหม่ เพื่อขยายเขตให้เทศบาลได้ปกครองและทะนุบำรุงท้องถิ่น จึงได้ตราพระราชกฤษฎีกาเปลี่ยนแปลงเขตเทศบาลเมืองบุรีรัมย์ จังหวัดบุรีรัมย์ ลงวันที่ 30 เมษายน พ.ศ. 2504 ในรัชสมัยพระบาทสมเด็จพระบรมชนกาธิเบศร มหาภูมิพลอดุลยเดชมหาราช บรมนาถบพิตร โดยมีจอมพล สฤษดิ์ ธนะรัชต์ เป็นนายกรัฐมนตรี ประกาศในราชกิจจานุเบกษาเมื่อวันที่ 9 พฤษภาคม พ.ศ. 2504 มีเนื้อที่รวม 6 ตารางกิโลเมตร ครอบคลุมพื้นที่ตำบลในเมืองทั้งหมด

ต่อมาในวันที่ 30 สิงหาคม พ.ศ. 2567 อนุทิน ชาญวีรกูล รองนายกรัฐมนตรีและรัฐมนตรีว่าการกระทรวงมหาดไทย ได้ออกประกาศกระทรวงมหาดไทย 3 ฉบับ มีสาระสำคัญเกี่ยวกับการเปลี่ยนแนวเขตเทศบาลเมืองบุรีรัมย์ โดยยุบรวมเทศบาลตำบลอิสาณทั้งหมด รับโอนพื้นที่บางส่วนขององค์การบริหารส่วนตำบลเสม็ด และเปลี่ยนแปลงฐานะจากเทศบาลเมืองขึ้นเป็น เทศบาลนครบุรีรัมย์ มีผลตั้งแต่วันที่ 31 ตุลาคม

สภาพพื้นที่โดยทั่วไปมีลักษณะเป็นที่ราบมีความลาดเอียงเล็กน้อย จากทางทิศตะวันตกไปทางทิศตะวันออก และจากทิศเหนือไปทางทิศใต้ มีความสูงของพื้นที่อยู่เหนือระดับน้ำทะเลปานกลาง 163 เมตร เขตเทศบาลนครบุรีรัมย์มีอาณาเขตติดต่อกับเขตองค์กรปกครองส่วนท้องถิ่นข้างเคียงดังนี้

• ทิศเหนือ ติดต่อกับเขตเทศบาลเมืองชุมเห็ดและเขตองค์การบริหารส่วนตำบลบ้านยาง (อำเภอเมืองบุรีรัมย์)
• ทิศตะวันออก ติดต่อกับเขตองค์การบริหารส่วนตำบลห้วยราช เขตองค์การบริหารส่วนตำบลสนวน (อำเภอห้วยราช) และเขตองค์การบริหารส่วนตำบลสวายจีก (อำเภอเมืองบุรีรัมย์)
• ทิศใต้ ติดต่อกับเขตองค์การบริหารส่วนตำบลสะแกซำ เขตองค์การบริหารส่วนตำบลเสม็ด เขตเทศบาลตำบลบ้านบัว และเขตองค์การบริหารส่วนตำบลกระสัง (อำเภอเมืองบุรีรัมย์)
• ทิศตะวันตก ติดต่อกับเขตเทศบาลตำบลหนองตาด (อำเภอเมืองบุรีรัมย์)