En el Bajo Imperio Romano si aparecen restos arqueológicos, tanto en el casco urbano como en el término municipal, encasillados en asentamientos rurales, necrópolis y una industria de salazón, así como el hallazgo de monedas de la época.

     Bajo el dominio de los musulmanes, Cartaya fue distrito agrario de Niebla, según estudios de Dª Fátima Roldán Castro cuando explica la existencia de uno denominado Qarqaya o Qurquya, los cuáles tomaban la denominación del núcleo principal. El núcleo poblacional puede ser de origen beréber. Otros historiadores catalogan el castillo de Cartaya de la época califal, cuestión no descartable por la situación en la que está enclavado: controlando el paso del río Piedras. Esta sería una ubicación interesante sobre todo en los momentos de las revueltas de moriscos para control de la zona. Estas teorías se ven afianzadas por la toponimia: dehesa de Aben Mabfot o Mogaya, donde existía una atalaya, u otros topónimos cristianizados como Valdeflores, Valdemarinas, Roza del Morisco o Tariquejos, así como por los restos arqueológicos encontrados: enterramientos, asentamientos agrarios y monedas.

     En 1262, Alfonso X el Sabio conquista el reino almohade de Niebla y deja estas tierras a su hija Beatriz casada con el rey de Portugal, englobadas en el recién creado Señoría de Gibraleón. En estos tiempos se produce una repoblación a raíz de la marcha de los moradores de origen musulmán hacia el norte de África que cuatro años atrás habían provocado la sublevación mudéjar. Vinieron a la villa 60 familias de labradores.

     En 1305, la tierra de realengo de Gibraleón pasa a ser señorial, pasando a manos de D. Alonso de la Cerda por recompensa del derecho que éste pretendía tener a la corona castellano-leonesa. Pero durante el siglo XIV, estas tierras cambiaron de manos varias veces: estuvo en poder de la Corona en dos ocasiones, pasó a la familia de La Cerda y a los Pérez de Guzmán, pero a fines de siglo pasa a la familia. Dura poco, pues en 1401 la corona reparte los señorías de la zona y el de Gibraleón pasa a depender de los Pérez de Guzmán, y por relación matrimonial, de la Casa de los Zuñiga.

     Lo anterior corre al margen de Cartaya pues ésta pertenecía al Convento de Nuestra Señora del Carmen de Gibraleón. De hecho, en 1410, don Pedro de Stuñiga compra a dicho convento la heredad de Cartaya en 600.000 maravedíes con la intención de hacer casa fuerte en el castillo y tomar también beneficios del pasaje de la barca por el río Piedras, privilegio que tenía hasta el momento la casa de los Guzmanes. Se desarrollan una serie de pleitos (consecuencia, en cierto modo, de las disputas que mantenían en la propia ciudad de Sevilla) y, en 1420, el rey Juan II dicta sentencia a favor de don Pedro de Stuñiga, quien impulsó la repoblación del lugar y otorgó carta de franquicia a quiénes fueran a habitar en la villa, teniendo un crecimiento enorme y rápido. De hecho en 1499 se promulgan las primeras ordenanzas municipales de la villa conocidas, realizándose otras en 1542.

     Durante el siglo XV la actividad económica de Cartaya prosperó. Había navíos calados en el puerto de Sevilla en el último tercio del siglo, participaban los cartayeros en las expediciones a las Canarias y costas africanas, y viajaron con Cristóbal Colón en el descubrimiento de las nuevas tierras. El puerto de la Ribera estaba en pleno funcionamiento y buques de muchos lugares arribaban a él, sobre todo para cargas los productos de la tierra, entre ellos el vino, que era embarcado para Flandes. Además del vino, la agricultura basada en la trilogía mediterránea, se cultivaba el trigo y el olivo, además de las huertas de labor que rodeaban a la población. La producción de aceituna estaba muy controlada por el propio Marqués y, principalmente, se dedicaba a la fabricación de jabón, aparte del consumo de aceite para la alimentación. La higuera también era un producto de exportación hacia las tierras norteñas. También se daba la bellota y el corcho, y en menor grado, la grana, colorante importante para los tejidos.

     En la misma Ribera existía una carpintería de ribera para la construcción de barcos y un molino para moler trigo. La ganadería se daba para el propio uso de la villa, no encontrándose manifiestos sobre su negocio hacia fuera ni feria alguna por esa época. La pesca también ocupaba un lugar importante entre los cartayeros del momento, tanto de bajura como de altura por las tierras africanas. Muchos de estos productos de la mar eran vendidos en el mercado hispalense, como sábalos, cazones, lampreas, sabogas, pargos, barbos, picones, machuelos, acedías, corvinas, anguilas, zafios, albures, robalos, sollos, alosas, chernes, pescadas, bogas o camarones.

     Cartaya sufrió ataques de los piratas que llegaban a las costas, así como las incursiones portuguesas durante la guerra con España. Los franceses también dejaron su huella en la villa. La fortaleza existente era lugar de refugio. El terremoto de Lisboa de 1755 hizo que se reedificara el Convento Mercedario de la villa, hoy en recuperación.

     Estuvo bajo la tutela del Marquesado de Gibraleón hasta la abolición del antiguo régimen en el siglo XIX.