Casale Marittimo était déjà habité à l'époque étrusque, comme en témoignent les fouilles archéologiques sur le territoire communal, notamment une tombe datant du Ve siècle av. J.-C., aujourd'hui conservée au Musée archéologique de Florence. Des vestiges de villas romaines ont également été découverts dans les localités de La Pieve et Il Poggio, attestant de la transition entre les périodes étrusque et romaine.
Le village est mentionné pour la première fois en 1004 sous le nom de « Casale nelle Maremme ». Au Moyen Âge, il fut un fief des comtes Della Gherardesca jusqu'au XVe siècle, avant de passer sous la domination florentine en 1406. En 1684, il fut donné en fief aux Ridolfi, puis en 1738, il devint partie du marquisat de Riparbella. En 1862, le village, alors appelé « Casale nelle Maremme », fut rebaptisé « Casale di Val di Cecina », avant d'adopter son nom actuel en 1900.
Au XIXe siècle, Casale Marittimo connut une croissance démographique grâce à la bonification des marais côtiers et à l'amélioration des conditions sanitaires. En 1860, lors du plébiscite pour l'annexion au royaume de Sardaigne, sur 320 votants, un seul vote fut opposé à l'unification italienne. Aujourd'hui, le tourisme est la principale source de revenus pour ce village paisible, qui a su préserver son patrimoine historique et architectural.