Ai tempi dei romani si chiamava Portus Sasinae (periodo di cui non resta nessuna traccia, se si escludono sette colonne monolitiche di marmo cipollino immerse nel mare), quando era un importante scalo portuale per il commercio dei prodotti agricoli delle ricche zone interne. In realtà il luogo era già abitato in epoca preistorica (villaggio sulla Penisola della Strea) e successivamente nell'Età del Bronzo da marinai di provenienza greca (ritrovamenti in località "Scalo di Furno" di vari cimeli, tra cui statuette votive, e di un'area dedicata al culto della dea Thana).

Cadde nell'abbandono a causa delle scorrerie dei pirati e dell'impaludamento della zona fino all'arrivo, intorno all'anno Mille, di alcuni monaci basiliani che vi costruirono un'abbazia che utilizzarono sino al XV secolo, periodo in cui la località passò di proprietà dagli Orsini del Balzo, principi di Taranto, agli Acquaviva, duchi di Nardò, e si sviluppò come porto per il commercio soprattutto di olio e grano, dapprima verso la Sicilia, per poi ampliare al resto delle grandi Repubbliche marinare di quell'epoca. Fu anche in quel periodo che iniziò la costruzione, a difesa dai nemici provenienti dal mare, dell'importante "Torre Cesarea" e di tutte le altre torri costiere di cui è ancora ricca la fascia costiera ionica salentina. Dopo un nuovo periodo di decadenza, intorno al XVIII secolo tornò a ripopolarsi,però solo stagionalmente e non stanzialmente grazie all'attività di una tonnara che attirò varie famiglie di pescatori, soprattutto tarantine,che occuparono la penisoletta dell'attuale comune, allora possedimento dell'agiata famiglia Muci di Nardò. Quest'ultima acquistò e detenne il feudo sino agli inizi del XIX secolo, anche dopo l'abolizione ufficiale del principio feudale. Il primo nucleo stanziale si ebbe solo a metà '800. Successivamente il frazionamento e la vendita dei terreni a queste famiglie di pescatori qualche decennio prima della fine del XIX secolo, permise lo sviluppo del primo impianto urbano. Il centro continuò così a svilupparsi e quando, alla fine del XIX sec. la popolazione venne a contare qualche centinaio di persone, vi si costruì la chiesa intitolata a S. Maria de Cesarea.

Durante il periodo fascista, grazie alla bonifica dell'Arneo, il centro crebbe di importanza non solo come porto peschereccio ma anche come località turistico-balneare ed iniziò ad essere chiamata Porto Cesareo.

Nel 1975, grazie alla volontà dei residenti che chiedevano da tempo l'autonomia dal comune di Nardò, Porto Cesareo divenne a sua volta comune a tutti gli effetti. Oggi quest'ultimo è ormai una rinomata località di bagni grazie ai suoi 17 km di spiaggia dorata in parte attrezzati e acqua molto limpida fronteggiate da un arcipelago di isolotti ricchi di vegetazione e di fauna che conta specie molto rare. Dal 1997 il Comune è sede di una delle 20 aree marine protette d'Italia per la presenza di una ricchissima e diversificata comunità marina di elevato valore biologico. L'area si estende fino a 7 miglia dalla costa, tra Punta Prosciutto a nord e Torre dell'Inserraglio a sud. Importanti sono anche la Stazione di Biologia Marina e il Museo Talassografico che contiene una raccolta malacologica, un erbario e rare specie ittiche.