Den mänskliga bosättningen i det område som i dag är känt som Cascais daterar sig till slutet av paleolitikum, vilket framgår av rester som påträffats norr om Talaíde, i Alto do Cabecinho (Tires) och söder om Moinhos do Cabreiro. Det var under neolitikum som permanenta bosättningar etablerades i regionen och invånarna utnyttjade de naturliga grottorna (t.ex. Poço Velho i Cascais) och konstgjorda skyddsrummen (t.ex. i Alapraia eller São Pedro) för att begrava sina döda. Kropparna begravdes tillsammans med offergåvor, en praxis som fortsatte fram till kalkolitikum.
Romerska ingrepp i området skedde i samband med bosättningen av villae Freiria (idag São Domingos de Rana) och Casais Velhos (Charneca), vilket bevisas bland annat av en grupp på tio tankar som upptäcktes längs Rua Marques Leal Pancada i Cascais, där det fanns en saltningsfabrik för fisk. Det romerska herraväldet över området har också påverkat ortnamnen i regionen, vilket var fallet med ordet ”Caparide” (från latinets capparis, som betyder ”kapris”), liksom flera inskriptioner i samband med gravar.
På liknande sätt satte muslimska bosättare i regionen sin prägel på lokala ortnamn, bland annat ”Alcoitão” och ”Alcabideche”, där den romantiske poeten Ibn Muqana al-Qabdaqi, som skrev om regionens jordbruk och väderkvarnar, föddes i början av 1000-talet.
Utvecklingen av Cascais inleddes på allvar på 1100-talet, då staden administrativt var underställd staden Sintra, som låg i norr. I sin ödmjuka början var Cascais beroende av produkter från havet och land, men på 1200-talet försörjde dess fiskproduktion även den närliggande staden Lissabon. Toponymen ”Cascais” verkar härstamma från denna period, en pluralavledning av cascal (monte de cascas) som betydde ett ”berg av snäckor”, med hänvisning till den rikliga mängden marina blötdjur som skördades från kustvattnet. Under 1300-talet spred sig befolkningen utanför fästningsborgens murar.
Samhällets välstånd ledde till att det 1364 blev administrativt självständigt från Sintra. Den 7 juni 1364 erhöll folket i Cascais av kung Peter I att byn upphöjdes till stad, vilket gjorde det nödvändigt att utse lokala domare och administratörer. Stadsborna var följaktligen skyldiga att betala 200 pund guld till kronan årligen, samt att stå för kostnaderna för att betala de lokala administratörernas löner. Tack vare regionernas rikedomar var det lätt att uppfylla dessa skyldigheter. Staden och de omgivande markerna ägdes av en rad feodalherrar, varav den mest kända var João das Regras (död 1404), en advokat och professor vid Lissabons universitet som var inblandad i kung Johannes I:s uppstigning till makten som den förste kungen av huset Aviz.
Slottet i Cascais byggdes troligen under den här perioden, eftersom kung Ferdinand år 1370 hade skänkt slottet och Cascais till Gomes Lourenço de Avelar för att han skulle behålla det som ett seigneuriellt fideikommiss. Dessa privilegier fördes sedan vidare till hans efterträdare, bland dem João das Regras och grevarna av Monsanto, och senare markisen av Cascais. Under tiden fortsatte Cascais att växa utanför sina murar, trots att det erövrades och plundrades av kastilianska styrkor 1373 och hamnen blockerades 1382 och 1384. I slutet av 1300-talet resulterade detta i att församlingarna Santa Maria de Cascais, São Vicente de Alcabideche och São Domingos de Rana skapades.
Från och med medeltiden och framåt var Cascais beroende av fiske, sjöhandel (det var ett stopp för fartyg som seglade till Lissabon) och jordbruk och producerade vin, olivolja, spannmål och frukt. På grund av sitt läge vid mynningen av Tagus flodmynning sågs staden också som en strategisk post i försvaret av Lissabon. Omkring 1488 byggde kung Johannes II en liten fästning i staden, som låg vid havet. Den 15 november 1514 gav Manuel I Cascais en foral (stadga) och inrättade därmed regionens kommunala myndighet. Detta följdes den 11 juni 1551 av en licens från kung Johannes III för att institutionalisera Santa Casa da Misericórdia de Cascais. Stadens medeltida fästning var otillräcklig för att avvärja invasioner, och 1580 intog spanska trupper under ledning av hertigen av Alba byn under den konflikt som ledde till föreningen av de portugisiska och spanska kronorna. Fästningen utvidgades i slutet av 1500-talet av kung Filip I (Filip II av Spanien) och förvandlades till ett typiskt renässanscitadell med den karakteristiska platta profilen och den stjärnformade planlösningen. Efter den portugisiska restaureringen 1640 byggdes ett dussintal bålverk och skansar under ledning av greven av Cantanhede, som övervakade försvaret av Tagus flodmynning, porten till staden Lissabon. Av dessa konstruktioner förstärkte citadellet i Cascais, som byggdes tillsammans med fästningen Vår Fru av Ljuset, avsevärt det strategiska försvaret av kusten.
År 1755 förstörde den stora jordbävningen i Lissabon en stor del av staden. Omkring 1774 vidtog markisen av Pombal, premiärminister hos kung José I, skyddsåtgärder för att kommersialisera vinet från Carcavelos och inrättade den kungliga ullfabriken i byn, som existerade fram till början av 1800-talet. Under Napoleontruppernas invasion av Portugal 1807 ockuperades citadellet i Cascais av fransmännen, och general Junot stannade en tid i byn.
Citadellet förföll successivt tills kung Luís I beslöt att göra Cascais till sin sommarresidens. Från 1870 till 1908 bodde den portugisiska kungafamiljen från huset Braganza-Saxe-Coburg och Gotha i Cascais för att njuta av havet, vilket förvandlade den lugna fiskebyn till en kosmopolitisk adress. Tack vare kung Luís utrustades citadellet med landets första elektriska ljus 1878. Cascais gynnades också av byggandet av bättre vägar till Lissabon och Sintra, en tjurfäktningsarena, en idrottsklubb och förbättringar av den grundläggande infrastrukturen för befolkningen. Många adelsfamiljer byggde imponerande herrgårdar i en eklektisk stil som brukar kallas sommararkitektur, och många av dem kan fortfarande ses i stadens centrum och dess omgivningar. Den första järnvägen anlände 1889. Ett annat viktigt steg i utvecklingen av området togs under första halvan av 1900-talet med byggandet av ett kasino och infrastruktur i grannstaden Estoril.
År 1882 installerade Cascais en av de första tidvattenmätarna i Europa för att underlätta sjöfarten till hamnen i Lissabon. År 1896 installerade kung Carlos I, som älskade all maritim verksamhet, det första oceanografiska laboratoriet i Portugal i citadellet. Kungen själv ledde sammanlagt 12 vetenskapliga expeditioner till kusten; dessa avslutades 1908 när han mördades i Lissabon.
På grund av Portugals neutralitet under andra världskriget och stadens elegans och kungliga förflutna blev Cascais hemvist för många av de exilerade kungafamiljerna i Europa, bland annat från Spanien (huset Bourbon), Italien (huset Savoy), Ungern och Bulgarien. Deras historier berättas på Exiles Memorial Centre.
Nuförtiden är Cascais och dess omgivningar en populär semesterort för såväl portugiser som för det internationella jetsetet och vanliga utländska turister, som alla lockas av de fina stränderna. Staden är värd för många internationella evenemang, bland annat segling och surfing. År 2018 var staden Europas ungdomshuvudstad.