L'idea di far costruire una grande fontana monumentale - la prima grande fonte pubblica a Firenze - venne a Cosimo de' Medici verso il 1549, per ragioni di sanità, di autocelebrazione e anche di convenienza personale, poiché la scarsità dell'approvvigionamento idrico in questa zona della città (per qualità e quantità) era vissuta dal granduca in prima persona che risiedeva in palazzo Vecchio con tutta la famiglia, e che aveva già perso tre figli per malattie e scarsità di igiene generale.

La prima menzione documentata del progetto della fontana risale al 1550, quando Baccio Bandinelli scrisse a Jacopo Guidi di aver ricevuto l'incarico di disegnarla in grande stile e di cercare assistenti del Montorsoli che proprio in quegli anni stava costruendo due grandi fonti pubbliche a Messina. Di nuovo nel 1551 si allude al progetto assieme a quello di un'altra fontana che avrebbe dovuto decorare il piazzale davanti a palazzo Pitti. Sicuramente a quell'epoca era stato già messo a punto il progetto di approvvigionamento idrico che doveva portare l'acqua dalla zona della Porta San Niccolò, attraverso un sistema di condotte sotterranee che attraversassero poi il fiume sul ponte di Rubaconte (oggi Ponte alle Grazie), e arrivassero in piazza Peruzzi e Borgo dei Greci, fino alla piazza, come appare nel rovescio di una medaglia di Cosimo I coniata da Domenico Guidi, in cui si vede anche la vasca del dio marino su una quadriga[1].

Nel 1558 venne estratto a Carrara un grande blocco di marmo bianco, che venne trasportato a Firenze per via fluviale e consegnato al Bandinelli, per il quale versò un deposito di cinquanta scudi. Un anno dopo il costo del marmo veniva saldato dal Vasari per conto di Cosimo I. La notizia dell'importante commissione pubblica aveva stimolato anche altri artisti a fornire i loro modelli: per primi il Cellini (storico rivale del Bandinelli) e l'Ammannati, a cui si aggiunsero dopo la morte del Bandinelli stesso (1560) anche il Giambologna, Vincenzo Danti, Francesco Moschino e Vincenzo de' Rossi. Il cantiere venne affidato all'Ammannati, non senza le rimostranze di Vincenzo de' Rossi (che si era proposto di proseguire l'opera in qualità di allievo del Bandinelli). Fu tamponata provvisoriamente un'arcata della loggia dei Lanzi in cui venne collocato il marmo, come laboratorio per la bottega dello scultore, e il Nettuno venne scoperto il 3 ottobre 1565, con una vasca e altre figure di contorno provvisorie in laterizio, stucco e altri materiali deperibili, nell'ambito degli apparati temporanei per le nozze di Francesco de' Medici e Giovanna d'Austria[1].

Esiste un elenco dei collaboratori che furono pagati quali assistenti dell'Ammanati a quest'opera: Girolamo di Noferi da Sassoferrato, Battista di Benedetto Fiammeri, Donato Berti, Raffaello Fortini e Andrea Calamech; di tutti sono noti per altre opere solo il Fortini (che però fu prevalentemente un pittore) e il Calamech. Non è chiaro chi effettivamente completò l'intero apparato scultoreo, eseguito entro il 1575, soprattutto riguardo ai quattro gruppi bronzi delle estremità della vasca: in via attributiva alcuni riconoscono le mani di Vincenzo de' Rossi, Vincenzo Danti, Willem van Tetrode. A lungo queste opere sono state segnalate senza fondamento come del Giambologna, mentre la loro realizzazione è oggi ormai ricondotta all'Ammannati, alla sua bottega e un gruppetto di scultori del bronzo che avrebbero permesso di velocizzare il risultato[2].

È noto come non siano mancate nei confronti dell'opera accese critiche, in particolare riguardo alla statua del Nettuno, in confronto soprattutto col vicino David di Michelangelo. Venivano soprattutto rilevate una supposta sproporzione delle spalle del Nettuno e il fatto che l'artista avrebbe "fatte le carni, ed i muscoli mosci, e poco risentiti a proporzione di tutta la figura" (Bocchi-Cinelli). Di tali critiche la letteratura ne fece un luogo comune e voce popolare, che avrebbe trasformato il dio Nettuno nel "Biancone" (cioè la statua di cui spicca solo il colore bianco) e ha irriso in vario modo l'artista ("Ammannato, Ammannato, che bel marmo t'hai sprecato")[2].

La fontana ha subito numerosi danni nei secoli. Fu usata come lavatoio nel XVI secolo e fu oggetto di vandalismi il 25 gennaio 1580. Nel 1592 fu apposta la ringhiera di protezione per evitare che fosse usata come abbeveratoio dagli animali alla Dogana in palazzo Vecchio. Una targa dei Signori Otto sulla parete di Palazzo Vecchio datata 1720 vieta di "fare sporchezze di sorta alcuna, lavare in essa calamai, panni o altro né buttarvi legnami o altre sporcizie"[2].

Per quanto riguarda le vicende conservative del complesso, oltre a ricordare gli importanti interventi di restauro attuati nel 1720 (direzione di Giovanni Battista Foggini) e nel 1812 (direzione di Giuseppe Del Rosso con rifacimenti di Giovanni Battista Giovannozzi), i restauri, sostituzioni e puliture avvenute tra Otto e Novecento[3] e la rimozione delle figure in bronzo nel 1943 per proteggerle da eventuali danni causati dai bombardamenti, si enumerano i numerosi atti vandalici che nel corso del tempo ne hanno segnato la storia, a partire dal furto del satiro che guarda l'angolo di Palazzo Vecchio (1830, sostituito l'anno seguente da una copia eseguita da Francesco Pozzi), fino ai recenti avvenimenti che hanno visto spezzare più volte le zampe dei cavalli del cocchio (1981, 1986 e 1989) e provocare la caduta della mano destra di Nettuno (2005, restaurata nel 2006). Una grande campagna di restauro si è conclusa nel 2020, col ripristino degli zampilli d'acqua.