A história de Arraial do Cabo encontra-se vinculada à de Cabo Frio, do qual era sede distrital até recentemente. A formação de Arraial do Cabo começa há um milhão de anos, quando, pela ação dos ventos e de correntes marítimas, foram incorporadas ao continente três antigas ilhas, hoje Morros do Mirante, do Forno e Pontal do Atalaia.
Seus primeiros habitantes humanos chegaram há cerca de cinco mil anos. Eram nômades, viviam em grupos no alto dos morros e desciam apenas para buscar alimentos, basicamente peixes e moluscos. Mais tarde, vieram os índios da nação Tupi-guarani. Tribos Tupinambás habitavam toda a área correspondente ao Estado do Rio de Janeiro e, nas terras onde surgiria Arraial, eram representados pelos Tamoios. Estes, mais avançados que os nômades, viviam em aldeias, caçavam, plantavam mandioca, faziam peças de cerâmica e enfeitavam-se com penas. Destaca-se, ainda, na cultura tupinambá, a confecção de peças de cerâmica. Segundo estudos arqueológicos, havia cerca de 50 aldeias Tupinambás na região, estimando-se uma população que poderia variar de 25 a 75 mil habitantes antes da conquista européia. Arraial do Cabo está assentado sobre sítios arqueológicos de extrema valia para o estudo da história da região, tendo fornecido diversas peças para o Museu Nacional da Quinta da Boa Vista, no Rio de Janeiro. Isto pode ser comprovado a partir de restos arqueológicos catalogados em toda a região, que é composta de diversos sambaquis (sítios arqueológicos com esqueletos e artefatos).
Arraial do Cabo foi ponto de desembarque da expedição de Américo Vespúcio, que construiu sua casa de barro e pedra no Bairro da Rama, hoje conhecido como Praia dos Anjos. Neste local foi criada a primeira feitoria do Brasil. Houve grande aumento populacional na região de Cabo Frio com a chegada de imigrantes portugueses e, em 1615, foi fundada a cidade de Santa Helena. A partir de 1616 a cidade passou a chamar-se Nossa Senhora da Assunção de Cabo Frio, tendo sido ponto importante para o desenvolvimento e conquista do território fluminense. Embora a colonização e o desenvolvimento da região tenham tomado velocidade com a fundação da cidade de Cabo Frio, Arraial do Cabo viveu durante muito tempo esquecido e isolado. Não havia acesso a outros povoados. Era pela praia que seus moradores iam e vinham, a pé ou a cavalo, para trocar, vender e comprar mercadorias. A pesca também foi de grande importância nesse período. Monumentos e peças históricas até hoje lembram importantes passagens do início da colonização de Arraial, como a Igreja Nossa Senhora dos Remédios, construída em 1506 na Praia dos Anjos, e o Monumento a Américo Vespúcio, no Largo do Descobrimento. O núcleo urbano de Cabo Frio prosperou lentamente até fins do século XIX, baseando-se a economia na agricultura com mão-de-obra escrava, realizada em grandes latifúndios. A abolição da escravatura ocasionou o colapso econômico de que Cabo Frio só se restabeleceria bem mais tarde, com o desenvolvimento da indústria do sal, da pesca e do turismo, e sobretudo a implantação da rodovia e da estrada de ferro.
O núcleo de Arraial do Cabo situa-se próximo de Cabo Frio, em área de topografia plana, com pequenas elevações, tendo sido seu crescimento fortemente impulsionado pela presença da Fábrica Nacional de Álcalis, pelo turismo e veraneio, sendo considerado um dos melhores locais do país para a prática do mergulho.