Casale Marittimo era già abitato in epoca etrusca, come testimoniano gli scavi nel territorio del comune, tra cui una tomba a forma di tholos risalente al V secolo a.C. (ora al Museo Archeologico di Firenze). Sono stati rinvenuti anche resti di alcune ville romane.

Fu castello e centro principale della zona sotto i conti della Gherardesca. Nominato già nel 1004, nel 1406 passò sotto il dominio fiorentino, seguendone le sorti. Nel 1684 venne dato in feudo ai Ridolfi e nel 1738 entrò a far parte del marchesato di Riparbella.

Al plebiscito del 1860 per l’annessione al Regno di Sardegna (Regno d’Italia dal 1861) su 320 votanti ci fu solo 1 voto contrario.

Nel 1862 il comune, fino ad allora chiamato “Casale nelle Maremme”, fu denominato “Casale di Val di Cecina”, finché nel 1900 assunse l’attuale denominazione. In data 05 dicembre 2021 si è tenuta la cerimonia di presentazione della cartolina e l’annullo filatelico dedicati ai “121 anni dalla denominazione Casale Marittimo”. La cartolina rappresenta una veduta di Piazza del Popolo ripresa dall’Arco Cancellieri, che porta il nome di una delle tante famiglie storiche di Casale Marittimo.