Secondo una lapide risalente al 79 a.C. pare che Cartoceto sia stata fondata da alcuni Cartaginesi che sopravvissero alla Battaglia del Metauro, nel corso della Prima Guerra Punica, che avvenne tra il 218 ed il 201 a.C.
Secondo alcuni storici però questo paese sarebbe nato a seguito delle invasioni barbariche tra il VI e l'VIII secolo. che causarono l'abbandono dei centri abitati a fondo valle da parte degli abitanti dell'area, i quali si rifugiarono sulle colline.
L'origine del termine Cartoceto avvallerebbe maggiormente la prima ipotesi: per lungo tempo veniva chiamato Carticeto, con palese riferimento al nome Cartagine.
Nel XII secolo era già dotato di fortificazioni ed aveva il compito di difendere Fano.
Nel XIII era un importante centro di produzione d'olio di oliva, oltre che di vino e formaggi, attività tuttora importanti.
Il castello venne nei secoli conteso tra la Chiesa, Montefeltro ed i Malatesta.
Al tentativo di sottomissione da parte dei Malatesta, i Cartocetani si opposero fervidamente.
Successivamente si ribellarono anche a Fano e chiesero la sottomissione allo stato della Chiesa ed al Ducato di Urbino.
Il 13 luglio del 1572 vi fu un grave terremoto che distrusse la rocca e le mura.
Queste furono ricostruite ma nonostante ciò Cartoceto perse lentamente il proprio valore e prestigio.
Durante l'epoca napoleonica la situazione non migliorò: il comune venne subì l'imposizione di tasse e confische di beni.
Anche l'annessione al Regno d'Italia non fu d'aiuto, anzi il governo ordinò la soppressione di due prestigiose congregazioni religiose: il Convento della Pieve ed il Convento di S. Maria del Soccorso.