Non vi sono documenti che in maniera inconfutabile possano attestare la vera origine di Cartoceto.

Intendendolo come nucleo abitativo e sulla scorta degli inizi di altri paesi della Provincia di Pesaro e Urbino, può essere fatto risalire ad epoche successive a quelle comunemente ritenute. Certo è che per un lungo periodo della sua storia, specie da parte di persone di cultura, il paese viene chiamato Carticeto, in tal modo firmavano vari arcipreti, volendo così accreditare l'ipotesi di una fondazione da parte di cartaginesi in fuga dopo la disfatta sul Metauro del 207 a.C. e così risulta nella mappa esposta ai Musei Vaticani.

Comunque, uno dei resti archeologici di notevole interesse perché databile con certezza è rappresentato da una lapide rinvenuta vicino alla Pieve, la cui copia (l'originale si trova ad Urbino) è murata sulla destra di chi entra nel cimitero. In essa si fa cenno ad un portico eretto nel 79 d.C. e presumibilmente si può dedurre che nei dintorni potevano sorgere delle case.

Certo è che per la sua funzione prevalentemente di difesa e di avvistamento fu dal XIII secolo uno dei 15 "castelli", anzi il più importante, fra quelli appartenenti al contado di Fano posti a Nord del Metauro.

Cartoceto, al pari degli altri castelli vicini, fu al centro delle complesse vicende che videro il Papato, i Montefeltro e i Malatesti quali artefici principali di futuri assetti politici ed economici. I Cartocetani, nel corso della loro storia, in diverse occasioni, assunsero delle posizioni coraggiose per difendere una propria autonomia, per non rimanere sotto il governo della vicina Fano, per non essere sfruttati economicamente.

Cartoceto non si sottomise se non per un breve periodo (6 mesi) a Carlo Malatesta e in più di una circostanza, insieme ad altri castelli, si ribellò a Fano cacciando il suo capitano e chiedendo di voler dipendere dal Papa e dal Duca d'Urbino.

Per un lungo periodo si trascinò la contesa sul pagamento delle decime sacramentali e prediali dovute ai Parroci che vedeva tassati solo i possidenti di Cartoceto e si riuscì ad ottenere che dovessero contribuire anche quei fanesi che nel territorio avevano i loro beni.

Mal sopportò il dominio dei Francesi che imposero tasse, requisizioni, confische, e visse con scarsi entusiasmi il passaggio al governo italiano che nel 1866 impose la soppressione del Convento della Pieve e di quello di S. Maria del Soccorso.