Volgens de schriftelijke overleveringen (van onder andere Ennius, Livius en Cicero) is Ostia gesticht door de vierde koning van Rome, Ancus Martius (640-616 v.Chr.). Eusebius geeft zelfs een precies jaar: 620 v.Chr.. Waarschijnlijk was er al eerder bewoning op deze plek, omdat de Tibermonding geschikt was voor het aanleggen van zoutpannen voor de zoutwinning. Mogelijk was Ostia aan het eind van de zevende eeuw en in de zesde eeuw v.Chr. de handelshaven (emporium) van Rome, toen Rome werd geregeerd door Etruskische koningen. Archeologische vondsten uit de vroegste periode ontbreken echter tot nu toe. Na de verdrijving van de laatste Etruskische koning uit Rome in 509 v.Chr. kwam de rechteroever van de Tiber onder de heerschappij van de Etruskische stad Veii.

Na de verovering van Veii in 396 v.Chr. stichtten de Romeinen een vesting (castrum) van 194 x 125,70 m. op de plaats van het huidige forum van Ostia, die versterkt was met tufstenen muren. Vroeger dateerde men de oprichting van dit castrum tussen 380 en 340 v.Chr., maar archeologische vondsten en historische argumenten maken het waarschijnlijker dat het tussen 300 en 275 v.Chr. werd gebouwd, waarschijnlijk omdat Ostia de militaire haven was geworden van Rome. Een van de magistraten voor de Romeinse vloot werd in 267 v.Chr. gestationeerd te Ostia, de quaestor Ostiensis. De bevolking werd vrijgesteld van militaire-dienstplicht om de haven draaiend te houden.

In de tweede eeuw werd Ostia vooral een handelshaven. In 87 v.Chr. werd het tijdens de burgeroorlog tussen Marius en Sulla bezet en geplunderd door Marius. In 69/68 v.Chr. werd de stad nogmaals geplunderd door piraten. Waarschijnlijk om deze reden werd er in 63 v.Chr. door Marcus Tullius Cicero begonnen met de bouw van nieuwe muren, die werden voltooid in 58 v.Chr. door Publius Clodius Pulcher. In de eerste eeuw v.Chr. kreeg Ostia, dat tot dan toe vanuit Rome werd bestuurd, zijn eigen bestuur. Overigens is het onduidelijk of Ostia al een colonia was. Een aantal schrijvers meldt dat Ancus Martius Ostia als colonia stichtte, maar het zou dan wel gek zijn dat het vanuit Rome werd bestuurd. Mogelijk werd het dus eigenlijk pas in de eerste eeuw v.Chr. een colonia.

In het begin van de keizertijd werd Ostia langzaam verfraaid. Marcus Vipsanius Agrippa liet in 18-12 v.Chr. een theater bouwen voor 3000 toeschouwers, dat versierd was met marmer, wat nog zeer uitzonderlijk was in die tijd. In de tijd van Augustus werd een aquaduct aangelegd en werden twee tempels aan de noordkant van het forum gebouwd, mogelijk een tempel voor Jupiter en een Capitolium. In de tijd van Vespasianus kreeg de stadsmuur de functie van aquaduct dat water naar de zuidelijke helft van de stad vervoerde. Aan het eind van de eerste eeuw bouwde de Joodse gemeenschap een synagoge.

Zijn hoogtepunt beleefde Ostia in de tweede eeuw na Christus toen er onder de keizers Trajanus, Hadrianus en Antoninus Pius veel nieuwbouw werd gepleegd. Daarbij werd er over oudere gebouwen heen gebouwd, waardoor we weinig weten over de oude bebouwing van Ostia. Al sinds het eind van de eerste eeuw, in de tijd van Domitianus, werd het grondniveau daarbij een meter verhoogd, mogelijk in verband met overstromingen. In de tweede eeuw telde de stad 50.000 inwoners, van wie er 17.000 slaaf waren. Aan het einde van de tweede eeuw liet keizer Commodus het theater uitbreiden. Deze bloeitijd duurde tot in het begin van de derde eeuw. Geleidelijk verloor Ostia aan belang door de opkomst van Portus, een stadje dat was ontstaan aan de drie kilometer ten noorden van Ostia nieuwe gegraven havens (zie onder: De haven van Ostia).

Tussen de vijfde en de achtste eeuw werd Ostia langzaam verlaten, omdat de stad in verval raakte. Het antieke Ostia werd nog wel gebruikt als vindplaats voor bouwmateriaal; marmeren platen, beeldhouwwerken en zuilen. In de negende eeuw stichtte paus Gregorius IV (827-844) het naar hem genoemde Gregoriopolis op de plaats van het huidige plaatsje Ostia Antica, ongeveer één kilometer ten oosten van het antieke Ostia. In de vijftiende eeuw werd hier een vestingtoren gebouwd, en onder paus Sixtus IV liet diens neef Giuliano della Rovere (de latere paus Julius II) door Baccio Pontelli het fort bouwen (1483-1486) dat nu nog te bezoeken is. Nadat schatzoekers het antieke Ostia in de achttiende eeuw geplunderd hadden, werd dat in 1801 door paus Pius VII verboden. Deze begon ook met de opgravingen. Omvangrijkere opgravingen en de eerste restauraties vonden plaats vanaf 1855 onder paus Pius IX. Deze liet ook in 1865 het museum oprichten in een veertiende-eeuws gebouwtje dat eerder als zoutopslag was gebruikt. Verdere restauraties en wetenschappelijke opgravingen begonnen in 1909 onder leiding van Dante Vaglieri. In de twintigste eeuw en vooral vanaf 1938 onder Mussolini vonden grootschalige opgravingen plaats. Inmiddels is ongeveer twee derde van de stad blootgelegd.