Согласно историческим документам, город был основан на месте древнего поселения в 330 году царем Хосровом II Котаком из династии Аршакидов (Аршакуни). Слово «двин» в переводе с древнеперсидского означает «холм». Столицей Двин стал лишь спустя полтора века, в 481 году, решением Нерсеса Багратуни. В город массово переселялись жители предыдущей столицы — Арташата. Дело в том, что территория, на которой находилась прежняя столица, стала превращаться в болото, и жить там стало сложно.
В тот период население Двина достигало 100 тысяч человек. Помимо армян там жили евреи, курды, арабы. Город был обнесен стеной с несколькими воротами и вел активную торговлю. В 475-914 годах Двин был резиденцией армянских католикосов.
В 863 году Двин был разрушен землетрясением, после чего отстроен заново. Однако в 893 году произошло еще одно сильное землетрясение, во время которого погибли 70 тысяч человек. Тем не менее, город снова восстановили.
В 1045 году Двин вернулся под власть Византии, а в 1064 году его захватили сельджуки. Их в конце XII века изгнала армяно-грузинская армия под командованием Ивана и Закара Закарянов.
В XIII Двин пережил захватнический поход Джалал Эд Дина и нашествие татаро-монголов, после чего пришел в упадок.