Il nucleo originario di Cartoceto iniziò a formarsi, molto probabilmente, ai tempi della guerra greco-gotica (535-554), quando le alture poste ai lati del fiume Metauro divennero luogo di rifugio per le popolazioni della vallata, devastata nel corso di questo drammatico conflitto. Totalmente prive di fondamento risultano oggi le fantasiose teorie di alcuni storici del passato che, portando a loro sostegno alcune bizzarre e molto ridevoli etimologie, ritennero Cartoceto esser stata fondata da un gruppo di soldati dell’esercito cartaginese scampato alla morte nella famosa Battaglia del Metauro (207 a.C.).
In epoca romana, l’area cartocetana (in prevalenza boscosa) ospitava non solo alcune ricche ville, ma anche appezzamenti agricoli, luoghi sacrali e necropoli, queste ultime situate in vari punti posti ai lati dell’antica Via consolare Flaminia. Presso le vicine frazioni di Calcinelli e Tavernelle era inoltre situata la cosiddetta mutatio ad Octavo, luogo di ristoro e di cambio cavalli posta a metà percorso tra i municipi di Fanum Fortunae e Forum Sempronii.
Tra il VI ed il IX secolo si ebbe probabilmente lo sviluppo della Pieve, considerata dal Bellini (noto ricercatore storico su Cartoceto) la chiesa matrice di tutti i successivi luoghi di culto cristiano sorti nel suo circondariato. Tra il 1000 ed il 1200 il borgo storico di Cartoceto era ormai una realtà consolidata ed il suo nome inizia a comparire nei documenti, i quali già dalla fine del XIII secolo attestano una massiccia produzione olearia, destinata a diventare uno dei simboli dell’intero comune. Profondamente legata alle vicissitudini storiche di Fano, per la quale rappresentava la più importante roccaforte sul versante settentrionale del Metauro, nel 1343 Cartoceto passò sotto il dominio di Galeotto Malatesta, il quale la rafforzò facendovi erigere una rocca sul punto più alto del castello. Tornata sotto l’amministrazione di Fano nell’ambito della libertas ecclesiastica, al termine del conflitto fra Sigismondo Malatesta e Federico da Montefeltro, Cartoceto perse gradualmente la sua importanza strategica, provocando il progressivo decadimento della sua rocca; già in rovina, soffrì gravi danni a seguito del terremoto del 13 luglio 1572 e non venne mai più ricostruita.
In età napoleonica mal sopportò il dominio Francese che impose tasse, requisizioni, confische, e visse con scarsi entusiasmi il passaggio al neonato Regno d’Italia che nel 1866 impose la soppressione del Convento della Pieve e di quello di Santa Maria del Soccorso. Nel 1831 furono demoliti gli ultimi rimasugli della rocca malatestiana e al suo posto venne eretta la nuova Chiesa Collegiata di Santa Maria della Misericordia, precedentemente sita in Piazza del Mercato (oggi Piazza Garibaldi), in posizione opposta al Palazzo del Popolo.
Il passaggio del fronte bellico nel 1944 risparmiò Cartoceto da particolari distruzioni, ma stessa fortuna non ebbe la frazione di Lucrezia, quasi completamente distrutta dai Tedeschi in ritirata. Il borgo di Lucrezia tuttavia risorse rapidamente e, nel dopoguerra, venne ad affermarsi come il principale polo industriale ed urbano del territorio comunale.
Nel 1962 si ebbe la fondazione della Pro Loco di Cartoceto che, a partire dall’anno seguente, promosse annualmente la Sagra dei Vincisgrassi.
Il paese storico di Cartoceto fu particolarmente colpito dalla crisi economica degli anni settanta, che accompagnò la progressive chiusura di numerose attività commerciali. Per contrastare tale declino, un gruppo di giovani della Pro Loco ebbe l’audace idea di organizzare, a partire dal 1977, una Mostra Mercato dell’Olio e dell’Oliva, volta a promuovere i prodotti tipici del territorio e progressivamente affermatasi nel corso degli anni come uno dei più importanti appuntamenti dell’olivicoltura regionale e nazionale. A coronamento di questa lunga e gloriosa vocazione, nel 2004 venne istituita la prima DOP olearia delle Marche, la DOP Cartoceto.
Nel corso degli ultimi anni, Cartoceto ha sofferto alcuni gravi danni alla sua cinta muraria, ceduta in più punti a seguito delle ingenti piogge avutesi nel 2010 e nel 2012. I lavori di recupero sono ancora in corso e, nella primavera del 2016, è stato completato il restauro del primo tratto delle mura nord-occidentali.