Secondo una consolidata e suggestiva tradizione, il nucleo originario di Nettuno sarebbe la mitica Neptunia, antichissima città dedicata al dio del mare i cui presunti resti ancora affiorano, con la bassa marea, nelle acque antistanti il Forte Sangallo. Il territorio era comunque popolato fin dal Paleolitico ed è certamente verosimile che la romana Antium, almeno in età imperiale, si estendesse fino a comprendere questa parte del capo d'Anzio.
Intorno al IX secolo, in seguito al definitivo abbandono del porto d'Anzio sempre più esposto alle incursioni saracene, la popolazione si concentrò sul promontorio dando vita all'insediamento medievale. Nell'XI secolo era dei monaci dell'abbazia di Grottaferrata, che nel 1140 la dettero in enfiteusi ai conti di Tuscolo. Nella seconda metà del XII secolo il senato romano s'impossessò del territorio di Nettuno e nel 1220 lo cedette agli Orsini, che lo ebbero ininterrottamente per due secoli fino a quando, nel 1426, papa Martino V impose una permuta agli Orsini e lo assegnò al nipote, cardinale Antonio Colonna.
Durante il pontificato di Alessandro VI (1492-1503) il feudo di Nettuno fu confiscato e assegnato al figlio del papa, il celebre Cesare Borgia, detto il Valentino. A questi si deve la costruzione del Forte. Alla morte di Alessandro VI Nettuno tornò ai Colonna fino al 1594, anno in cui fu acquistato da papa Clemente VIII Aldobrandini che lo affidò alla Camera Apostolica. Nel 1831 fu venduto ai Borghese.
Durante tutti questi secoli il paese era rimasto un modesto borgo che, nonostante la sua posizione, viveva essenzialmente di agricoltura.
Dopo il 1870, collegata con una ferrovia alla capitale, Nettuno si sviluppò rapidamente divenendo una rinomata stazione balneare.
Tra il 1939 e il 1945 Nettuno fu unita ad Anzio in un unico comune con il nome di Nettunia. La II Seconda Guerra Mondiale sconvolse tragicamente la vita di questi luoghi, che in seguito allo sbarco alleato (22 gennaio 1944) e alla furiosa controffensiva tedesca subirono pesanti distruzioni. Da quegli eventi è comunque rimasto un particolare legame tra Nettuno e gli Stati Uniti d'America, che qui vollero costruire il cimitero monumentale, dove riposano tutti i caduti americani della campagna militare che, dallo sbarco in Sicilia, portò alla liberazione di Roma. Segno di questo legame è anche la particolare passione dei Nettunesi per il baseball, sport in cui la cittadina eccelle con numerosi trofei conquistati a livello nazionale ed europeo.
Negli ultimi decenni Nettuno ha subito una notevole trasformazione divenendo non più solo una stazione balneare ma centro residenziale dell'area metropolitana di Roma. Grande sviluppo ha avuto il terziario, favorito dagli investimenti nel settore turistico come, in primo luogo, l'attrezzato porto turistico capace di ospitare fino ad ottocento imbarcazioni.