ในสมัยพุทธกาล
สารนาถในสมัยพุทธกาล เรียกกันว่า ป่าอิสิปตนมฤคทายวัน แปลว่า เขตป่าอภัยทานแก่สัตว์ที่เป็นที่บำเพ็ญตบะของฤษี เป็นสถานที่สงบและเป็นที่ชุมนุมของเหล่าฤษีและนักพรตต่าง ๆ ที่มาบำเพ็ญตบะและโยคะเพื่อเข้าถึงพรหมมันตามความเชื่อในคัมภีร์อุปนิษัทของพรามหณ์ ทำให้เหล่าปัญจวัคคีย์ที่ปลีกตัวมาจากเจ้าชายสิทธัตถะ ภายหลังจากที่พระองค์ทรงเลิกบำเพ็ญทุกขกริยา ได้มาบำเพ็ญตบะที่นี่แทน
หลังจากพระพุทธเจ้าทรงแสดงปฐมเทศนา และเทศน์โปรดปัญวัคคีย์จนสำเร็จเป็นพระอรหันต์ทั้งหมดแล้ว ได้ทรงพักจำพรรษาแรก ณ ป่าอิสิปตนมฤคทายวัน พร้อมกับเหล่าปัญจวัคคีย์ ซึ่งในระหว่างจำพรรษาแรก พระองค์ได้สาวกเพิ่มกว่า 45 องค์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งพระยสะและบริวารของท่าน 44 องค์ ซึ่งรวมถึงบิดามารดาและภรรยาของพระยสะ ที่ได้มาฟังพระธรรมเทศนาของพระพุทธองค์และได้ยอมรับนับถือเป็นอุบาสกอุบาสิกาที่ถึงพระรัตนตรัยเป็นสรณะคู่แรกในโลกด้วย ทำให้ในพรรษาแรกที่พระพุทธเจ้าทรงจำพรรษาที่ป่าอิสิปตนมฤคทายวัน มีพระอรหันต์ในโลกรวม 60 องค์ และองค์พระพุทธเจ้า
นอกจากนี้ ในบริเวณสารนาถ ยังเป็นสถานที่สำคัญที่พระพุทธองค์ทรงประกาศเริ่มต้นส่งให้พระสาวกกลุ่มแรกออกไปเผยแพร่พระพุทธศาสนาหลังจากทรงจำพรรษาแรกแล้ว (เชื่อกันว่าเป็นจุดที่เดียวกับที่พระพุทธองค์ทรงแสดงปฐมเทศนา คือธรรมเมกขสถูป) ดังปรากฏความตอนนี้ใน สังยุตตนิกาย สคาถวรรคว่า
..ดูกรภิกษุทั้งหลาย เธอทั้งหลายจงเที่ยวจาริกไปเพื่อประโยชน์เกื้อกูลแก่ชนหมู่มาก เพื่อความสุขแก่ชนหมู่มาก เพื่ออนุเคราะห์โลก เพื่อประโยชน์ เพื่อเกื้อกูล เพื่อความสุขแก่เทวดาและมนุษย์ทั้งหลาย เธอทั้งหลายอย่าได้ไปด้วยกัน ๒ รูป โดยทางเดียวกัน ดูกรภิกษุทั้งหลาย เธอทั้งหลายจงแสดงธรรม งามในเบื้องต้น งามในท่ามกลาง งามในที่สุด จงประกาศพรหมจรรย์ พร้อมทั้งอรรถ พร้อมทั้งพยัญชนะ บริสุทธิ์บริบูรณ์สิ้นเชิง...
สังยุตตนิกาย สคาถวรรค ทุติยปาสสูตรที่ 5
และด้วยเหตุทั้งหลายดังกล่าวมานี้ สารนาถจึงได้กลายเป็นสัญลักษณ์แห่งศูนย์กลางพระพุทธศาสนาแห่งแรกมาตั้งแต่นั้น
ซึ่งในช่วงหลังจากพระพุทธองค์เสด็จออกจากสารนาถหลังประกาศส่งพระสาวกออกเผยแพร่ศาสนานั้น ไม่ปรากฏในหลักฐานในพระไตรปิฎกว่ามีการสร้างอารามหรือสิ่งก่อสร้างในป่าสารนาถแห่งนี้ ทำให้สันนิษฐานได้ว่าสิ่งก่อสร้างใหญ่โตคงจะได้มาเริ่มสร้างขึ้นกันในช่วงหลังที่พระพุทธศาสนาได้รุ่งเรืองมั่นคงในแคว้นมคธแล้ว
หลังพุทธปรินิพพาน
ประมาณ 300 กว่าปีต่อมาหลังพุทธกาล ในสมัยพระเจ้าอโศกมหาราช กลุ่มสถานที่พระพุทธเจ้าทรงแสดงปฐมธรรมเทศนาและพระธรรมเทศนาอื่น ๆ แก่เบญจวัคคีย์ และหมู่คันธกุฎีของพระพุทธเจ้า ในบริเวณป่าอิสิปตนมฤคทายวัน ได้รับการบูรณะและก่อสร้างศาสนสถานเพิ่มเติมครั้งใหญ่เพื่อถวายเป็นอนุสรณียสถานแก่พระพุทธเจ้า และกลุ่มพุทธสถานเหล่านี้ได้เจริญรุ่งเรืองถึงขีดสุดในสมัยราชวงศ์คุปตะ (บันทึกของพระถังซำจั๋ง (Chinese traveler Hiuen-Tsang) ซึ่งได้จาริกมาราว พ.ศ. 1300 ได้บันทึกไว้ว่า "มีพระอยู่ประจำ 1,500 รูป มีพระสถูปสูงประมาณ 100 เมตร มีเสาศิลาจารึกรูปหัวสิงห์ และสิ่งอัศจรรย์มากมาย ฯลฯ") และได้ถูกทิ้งร้างไปเมื่อกษัตริย์โมกุลเข้าปกครองอินเดีย จนท่านอนาคาริก ธรรมปาละ ชาวศรีลังกา ได้มาบูรณะขึ้นใหม่อีกครั้ง และได้รับการบูรณะจากรัฐบาลอินเดียเรื่อยมา ทำให้สารนาถกลายเป็นจุดหมายปลายทางในการแสวงบุญที่สำคัญแห่งหนึ่งของชาวพุทธทั่วโลกมาจนถึงปัจจุบัน