La prima denominazione della città come "Centumcellae" compare in una lettera di Plinio il Giovane, in cui lo scrittore racconta di essere stato chiamato a consiglio dall'imperatore Traiano "presso Centocelle". Questo nome (che taluni fanno derivare da un edificio o magazzino fornito di numerosi ambienti, costruito comunque in epoca più tarda) è probabilmente riferito alla serie di piccole insenature che, interrompendo la costa rocciosa, fornivano alle navi tanti sicuri approdi. L'appellativo forse preesisteva agli interventi di Traiano; l'imperatore si fece costruire una villa, di cui generalmente si identifica il luogo sul panoramico colle del Belvedere (un chilometro ad est della città attuale) e dette l'avvio ai lavori del porto. Traiano immaginò questo approdo come il vero "porto di Roma", dal momento che si era rivelato insufficiente e tecnicamente non felice il porto di Ostia alla foce del Tevere, sul quale pure Traiano intervenne creando il bacino interno esagonale. "Col tempo - aggiunge Plinio- a tutti sembrerà che là si sia formata naturalmente un'isola". Costruito nel 106 d.C. forse dal celebre architetto Apollodoro, il nuovo porto divise con Ostia e Anzio la funzione di centro di rifornimento di Roma, meno favorito tuttavia rispetto agli altri per la maggior distanza dalla città. Esso divenne perciò in un primo tempo soprattutto una base per la flotta imperiale da guerra. Si attribuisce ad Apollodoro la studiata forma del porto, che sarà anche integrato da una veste architettonica di pregio, con edifici e statue. Per effetto di questa impresa la zona, che era già stata abitata in epoca etrusca, andò popolandosi e si rese necessaria la costruzione di un acquedotto.
L'imperatore Adriano portò a compimento molte iniziative intraprese da Traiano, completò il porto, potenziò le Terme Taurine. Più tardi, Rutilio Namaziano descriverà efficacemente il porto come "anfiteatro acqueo concluso da moli, di cui un'isola artificiale protegge gli angusti accessi".
Col passare dei secoli solo il porto resistette agli insabbiamenti e alle distruzioni che fecero sparire gli altri porti e assunse quindi la funzione di porto di Roma. Durante l'Impero, le dominazioni barbariche, e in seguito, sotto il dominio dei papi, esso divenne sempre più porto militare e commerciale, oltreché porto passeggeri e di rifugio.
Nell'Alto Medioevo, dopo il ritorno dei profughi da Centumcellae riprese subito vita tanto che nel X secolo era il miglior porto del Tirreno. La tranquillità interna dello Stato Pontificio, raggiunta con i papi del Quattrocento, fece sentire i suoi benefici sul porto e i grandi lavori ordinati da Sisto IV permisero un nuovo sviluppo dei traffici.
Nel secolo successivo il porto divenne una delle principali basi militari contro i Turchi e nel Seicento esso poté fare concorrenza a Livorno e a Genova. Successivamente la riattivazione di Fiumicino e di Anzio diminuì il livello dei traffici ma in seguito, nel secolo scorso, dopo l'unificazione il retroterra si allargò notevolmente, favorito dalle ferrovie, dalle nuove strade e dallo sviluppo delle industrie e il porto assunse la fisionomia e i caratteri che tuttora conserva. Il primitivo aspetto del bacino era quello di uno specchio d'acqua quasi circolare, con un diametro di mezzo chilometro, protetto da due solidi moli protesi nel mare per 400 metri; nella parte interna, presso la diga di ponente, fu poi costruito un bacino minore, la futura "Darsena romana". I primi lavori di rimodernamento furono eseguiti nel 1508 da Giulio II, che iniziò la fortezza (il futuro Forte Michelangelo); nel 1513 Leone X ordinò il completo restauro della darsena romana; nel 1592 Clemente VIII ordinò il rifacimento dell'antemurale che fu protetto da grandi gettate di scogli. Nei primi anni del secolo successivo furono costruiti, sotto Paolo V, grandi magazzini di depositi mentre Urbano VIII fece rafforzare i moli, prolungare l'antemurale di Traiano e scavare il fondo.
 Sempre nel Seicento sorse il grande Arsenale del Bernini, il monumento più caratteristico, distrutto durante l'ultima guerra, che occupava pressappoco l'area dell'attuale Capitaneria di porto. Il bellissimo Forte Michelangelo è tra i più belli e conservati monumenti del genere che vanti il nostro Rinascimento. L'arte e la scienza militare di quei tempi, sono qui mirabilmente fuse. E'una bassa, robusta costruzione rivestita in travertino, fu iniziata nel 1508 e la posa della prima pietra venne fatta alla presenza del pontefice Giulio II, il papa guerriero che conscio dell'importanza del porto di Civitavecchia, volle metterlo al sicuro dalle offese dei pirati turchi, signoreggianti allora sui mari. Ne fu ideatore il grande architetto Bramante che personalmente ne diresse i lavori: continuati, poi, da Antonio Sangallo dopo la morte del maestro. La fortezza venne ultimata nel 1535, sotto il pontificato di Paolo III, da Michelangelo che innalzava l'elegante mastio.  Venne assediato invano del 1527 dalla flotta spagnola respinta poi dalla flotta francese guidata da Renzo da Ceri; nel 1544 lo assalì invano il pirata Barbarossa; nel 1799 fu presa con patto onorevole dalle forze repubblicane francesi e nel 1814 venne occupata da Murat dopo che i difensori si erano ritirati. Il 9 febbraio 1849, durante la Repubblica Romana, vi salì per la prima volta il tricolore.
Nell'ultima guerra subì gravissimi danni dai bombardamenti aerei e in seguito è stato ricostruito e restaurato. Il forte è tra i più vasti che in quell'epoca si costruissero. La costruzione ha pianta rettangolare (m 100 x 82) con quattro torrioni cilindrici (diametro m 21 e altezza m 16) angolari e il mastio ottagonale (12 m per lato e alto m 23) recante in alto un fastoso stemma di Paolo III e un fregio di gigli (stemma di Casa Farnese). Le muraglie rivestite di travertino, hanno lo spessore variabile da sei a circa otto metri. Tutto intorno correva il fossato, oggi scomparso e la cui colmatura, cela sottoterra tutto lo zoccolo, al di sopra del quale, s'innalza la scarpata leggermente inclinatesi. In alto la muraglia ritorna a piombo, circondata presso la sommità da un vago cornicione sorretto da mensole di fattura classica. Le muraglie, sono coronate dai parapetti, aventi aperture più o meno ampie, che dovevano servire per gli archibugi, o per i cannoni.
 L'ingresso attuale della fortezza non è quello antico. Esso s'apriva presso il mastio e venne murato dopo il 1870. Si vede ancora la carrucola di bronzo che serviva per alzare e abbassare il ponte levatoio; e sopra gli stipiti di tale vecchio ingresso, si legge scolpito l'ordine "LASCIATE L'ARME". Molto bello l'ampio cortile interno dalle fronti decorate da lesene e architravi sporgenti.