De menselijke bewoning van het gebied dat nu bekend staat als Cascais dateert uit het laat-Paleolithicum, zoals blijkt uit overblijfselen die zijn aangetroffen in het noorden van Talaíde, in Alto do Cabecinho (Tires) en ten zuiden van Moinhos do Cabreiro. In het neolithicum vestigden zich permanente nederzettingen in de regio, waarvan de bewoners gebruik maakten van de natuurlijke grotten (zoals de Poço Velho in Cascais) en kunstmatige schuilplaatsen (zoals die in Alapraia of São Pedro) om hun doden in te leggen. De lichamen werden samen met offers begraven, een praktijk die tot in het Chalcolithicum werd voortgezet.
Romeinse interventies in het gebied vonden plaats met de vestiging van de villae van Freiria (tegenwoordig São Domingos de Rana) en Casais Velhos (Charneca), waarvan het bewijs onder meer bestaat uit een groep van tien bassins die werden ontdekt langs de Rua Marques Leal Pancada in Cascais, waar zich een fabriek bevond waar vis werd gezouten. De Romeinse heerschappij over het gebied had ook invloed op de plaatsnamen in de regio, zoals het geval was met het woord “Caparide” (van het Latijnse capparis, wat “kappertje” betekent), evenals verschillende inscripties in verband met grafkelders.
Ook de islamitische kolonisten in de regio drukten hun stempel op de plaatselijke plaatsnamen, waaronder “Alcoitão” en “Alcabideche”, waar de romantische dichter Ibn Muqana al-Qabdaqi, die over de landbouw en de windmolens in de regio schreef, aan het begin van de 11e eeuw werd geboren.
De ontwikkeling van Cascais begon serieus in de 12e eeuw, toen het administratief ondergeschikt was aan de stad Sintra, die in het noorden lag. In haar bescheiden begin was Cascais afhankelijk van de producten van de zee en het land, maar in de 13e eeuw leverde de visproductie ook aan de nabijgelegen stad Lissabon. Het toponiem “Cascais” lijkt uit deze periode te stammen, een afleiding in meervoud van cascal (monte de cascas), wat “schelpenberg” betekende, verwijzend naar de overvloedige hoeveelheid mariene weekdieren die uit de kustwateren werden geoogst. In de 14e eeuw verspreidde de bevolking zich buiten de muren van het fort.
De welvaart van de nederzetting leidde tot haar bestuurlijke onafhankelijkheid van Sintra in 1364. Op 7 juni 1364 verkregen de inwoners van Cascais van Koning Peter I de verheffing van het dorp tot stad, waardoor de benoeming van plaatselijke rechters en bestuurders noodzakelijk werd. De inwoners van Cascais moesten de kroon jaarlijks 200 pond goud betalen en ook de salarissen van de plaatselijke bestuurders bekostigen. Dankzij de rijkdom van het gebied kon gemakkelijk aan deze verplichtingen worden voldaan. De stad en de omliggende landerijen waren eigendom van een opeenvolging van leenheren, waarvan de beroemdste João das Regras (overleden 1404) was, een advocaat en professor aan de Universiteit van Lissabon, die betrokken was bij het aan de macht komen van Koning Jan I als de eerste Koning van het Huis van Aviz.
Het kasteel van Cascais werd waarschijnlijk in deze periode gebouwd, want in 1370 had Koning Ferdinand het kasteel en Cascais aan Gomes Lourenço de Avelar geschonken om als een heerlijkheid te houden. Deze privileges werden vervolgens doorgegeven aan zijn opvolgers, onder wie João das Regras en de graven van Monsanto, en later de markies van Cascais. Ondanks de verovering en inname door de Castiliaanse troepen in 1373 en de blokkade van de haven in 1382 en 1384, bleef Cascais groeien buiten zijn muren. Tegen het einde van de 14e eeuw resulteerde dit in de oprichting van de parochies Santa Maria de Cascais, São Vicente de Alcabideche en São Domingos de Rana.
Vanaf de Middeleeuwen was Cascais afhankelijk van de visserij, de zeehandel (het was een halte voor schepen die naar Lissabon voeren), en de landbouw, waar wijn, olijfolie, granen en fruit werden geproduceerd. Door zijn ligging aan de monding van de Taag werd het ook gezien als een strategische post in de verdediging van Lissabon. Rond 1488 bouwde koning Jan II een klein fort in de stad, gelegen aan zee. Op 15 november 1514 verleende Manuel I een foral (charter) aan Cascais, waarmee het gemeentebestuur van de regio werd ingesteld. Dit werd op 11 juni 1551 gevolgd door een vergunning van koning Jan III om het Santa Casa da Misericórdia de Cascais te institutionaliseren. Het middeleeuwse fort van de stad was niet voldoende om invasies af te slaan, en in 1580 namen Spaanse troepen onder leiding van de Duque van Alba het dorp in tijdens het conflict dat leidde tot de vereniging van de Portugese en Spaanse kronen. Het fort werd tegen het einde van de 16e eeuw uitgebreid door koning Filips I (Filips II van Spanje), waardoor het een typische renaissanceburcht werd met het karakteristieke platte profiel en de stervormige plattegrond. Na de Portugese restauratie in 1640 werd een twaalftal bolwerken en redoutes gebouwd onder leiding van de graaf van Cantanhede, die toezicht hield op de verdediging van de monding van de Taag, de toegangspoort tot de stad Lissabon. Van deze bouwwerken versterkte de citadel van Cascais, die werd gebouwd naast het fort van Onze-Lieve-Vrouw van het Licht, aanzienlijk de strategische verdediging van de kust.
In 1755 verwoestte de grote aardbeving in Lissabon een groot deel van de stad. Rond 1774 nam de Markies van Pombal, premier van koning José I, beschermende maatregelen voor de commercialisering van de wijn van Carcavelos en vestigde in het dorp de Koninklijke Fabriek van Wol, die tot het begin van de 19e eeuw heeft bestaan. Tijdens de invasie van Portugal door Napoleontische troepen in 1807 werd de citadel van Cascais bezet door de Fransen, waarbij generaal Junot enige tijd in het dorp verbleef.
De citadel raakte geleidelijk in verval totdat koning Luís I besloot om van Cascais zijn zomerresidentie te maken. Van 1870 tot 1908 verbleef de Portugese koninklijke familie van het Huis van Braganza-Saxe-Coburg en Gotha in Cascais om van de zee te genieten, waardoor het rustige vissersdorp in een kosmopolitisch adres veranderde. Dankzij koning Luís werd de citadel in 1878 voorzien van de eerste elektrische verlichting van het land. Cascais profiteerde ook van de aanleg van betere wegen naar Lissabon en Sintra, een stierenvechtarena, een sportclub en verbeteringen aan de basisinfrastructuur voor de bevolking. Veel adellijke families bouwden indrukwekkende herenhuizen in een eclectische stijl die gewoonlijk zomerarchitectuur wordt genoemd en waarvan er nog veel te zien zijn in het centrum en de omgeving van de stad. De eerste spoorweg kwam er in 1889. Een andere belangrijke stap in de ontwikkeling van het gebied werd in de eerste helft van de 20e eeuw gezet met de bouw van een casino en infrastructuur in het naburige Estoril.
In 1882 installeerde Cascais een van de eerste getijdemeters in Europa om de scheepvaart naar de haven van Lissabon te vergemakkelijken. In 1896 installeerde Koning Carlos I, een liefhebber van alle maritieme activiteiten, in de citadel het eerste oceanografische laboratorium van Portugal. De koning zelf leidde in totaal 12 wetenschappelijke expedities naar de kust; deze eindigden in 1908 met zijn moord in Lissabon.
Door de neutraliteit van Portugal in de Tweede Wereldoorlog en de elegantie en het koninklijke verleden van de stad, werd Cascais de thuisbasis van veel van de verbannen koninklijke families van Europa, waaronder die van Spanje (Huis van Bourbon), Italië (Huis van Savoye), Hongarije en Bulgarije. Hun verhalen worden verteld in het Exiles Memorial Centre.
Heden ten dage zijn Cascais en omgeving een populaire vakantieplek voor de Portugezen, maar ook voor de internationale jetset en regelmatige buitenlandse toeristen, allen aangetrokken door de mooie stranden. De stad is gastheer van vele internationale evenementen, waaronder zeilen en surfen. In 2018 was het de Europese Jongerenhoofdstad.