Em 1501, ano seguinte ao da chegada dos portugueses ao Brasil, o território de Pernambuco, definido pelo Tratado de Tordesilhas como região pertencente à América portuguesa, é explorado pela expedição de Gaspar de Lemos, que teria criado feitorias ao longo da costa da colônia, inclusive, possivelmente, na atual localidade de Igarassu, cuja defesa seria futuramente confiada a Cristóvão Jacques.
O povoamento efetivo de Pernambuco, entretanto, inicia-se em 1534, quando a colônia portuguesa é dividida em capitanias hereditárias. O território do atual estado de Pernambuco equivale a parte da Capitania de Pernambuco, doada a Duarte Coelho, e parte da Capitania de Itamaracá, doada a Pero Lopes de Sousa. Estendia-se por 60 léguas entre o rio Igaraçu e o rio São Francisco.
Em 1535, Duarte Coelho tomou posse da capitania, a princípio batizada de "Nova Lusitânia", mas que pouco tempo depois recebeu a denominação que mantém até hoje. Em 1537, os povoados de Igarassu e Olinda, estabelecidos em 1535, junto com chegada do donatário, foram elevados a vila. Olinda recebeu o status de capital administrativa e seu porto, habitado por pescadores, daria origem à cidade do Recife.
As vilas de Igarassu e Olinda, entre os primeiros núcleos de povoamento do Brasil, serviram de ponto de partida de expedições desbravadoras do interior da capitania. Uma dessas expedições, chefiada pelo filho do donatário, Jorge de Albuquerque, penetrou o sertão até o rio São Francisco, assegurando o domínio e expansão do interior do território e combatendo os índios hostis.
Duarte Coelho, por sua vez, tratou de instalar em Pernambuco os primeiros engenhos de açúcar da colônia, incentivando também o plantio do algodão. Em pouco tempo, a Capitania de Pernambuco se tornou a principal produtora de açúcar da colônia portuguesa. Consequentemente, era também a mais próspera e influente das capitanias hereditárias.
Surge em Pernambuco o protótipo da sociedade açucareira dos grandes latifundiários da cana-de-açúcar, que perdurará de forma majoritária nos dois séculos seguintes. O cultivo da cana-de-açúcar adaptou-se facilmente ao clima pernambucano e ao solo massapê. A maior proximidade geográfica de Portugal, barateando o custo do transporte, a abundância do pau-brasil, o cultivo do algodão e os grandes investimentos feitos pelo donatário na fundação de vilas e na pacificação dos índios são outros fatores que ajudam a explicar o progresso da capitania. Tal prosperidade, entretanto, transformou a capitania em um ponto cobiçado por piratas europeus. Já em 1595, o corsário inglês James Lancaster tomou de assalto o porto de Recife e passou a saquear as riquezas transportadas do interior. Partiu um mês depois, levando as pilhagens em quinze embarcações.
Nos anos finais do século XVI foi escrito "Prosopopeia", considerado o primeiro poema da literatura brasileira. O autor foi Bento Teixeira e conta em estilo épico, inspirado em Camões, as façanhas da família Albuquerque, tendo sido dedicado ao então governador de Pernambuco, Jorge de Albuquerque Coelho. A obra foi publicada em Lisboa, em 1601.No início do século XVII, a Capitania de Pernambuco atingiu o posto de maior e mais rica área de produção de açúcar do mundo.
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