Nel territorio di Santa Marinella sono stati individuati antichi siti abitati nel neolitico antico e nell'età del bronzo. A partire dal IX secolo a.C. nel territorio sorsero l'insediamento di Punicum, l'insediamento di Pyrgi (attuale Santa Severa), probabili empori Fenici, e infine l'insediamento romano di Castrum Novum.
Nel medioevo il litorale di Santa Marinella divenne un possedimento dei signori di Vico, poi degli Anguillara e infine degli Orsini.
Tra le torri di difesa costiera fatte edificare da papa Pio V nel 1567, c'è la torre che si chiamò di Santa Marinella, dal piccolo centro abitato, che lì era risorto per la coltura dei campi e per i pascoli.
Secondo la tradizione, intorno all'anno 1000 una comunità di monaci basiliani originari del Medio Oriente, dopo esser giunta in Italia meridionale, risalì il Tirreno insediandosi sul promontorio ove oggi sorge il Castello Odescalchi, costruendo il villaggio, il monastero e una piccola chiesa annessa dedicata a Santa Marina e a San Leonardo e introducendo così il culto della santa.
La chiesetta, oggi scomparsa, forse fu incorporata nel castello Odescalchi come cappella di palazzo intorno al XVI secolo, per edificare sul luogo ove questa sorgeva la futura chiesa parrocchiale.
Nel 1435 papa Eugenio IV concesse in proprietà la tenuta di Santa Marinella ai canonici di Santo Spirito in Sassia.