Fermignano, diventata Comune all'inizio dell'Ottocento, nasce come castello del ducato di Urbino (Castrum Firmignani) in età medioevale, probabilmente dove fin dall'età romana e forse preistorica era presente un sito di attraversamento del fiume. Secondo alcuni la città ha origini romane.

Il nome stesso deriverebbe dal toponimo Firmidianum, coniato sul nome Firmidius, antico proprietario terriero del luogo. Molti sono infatti i reperti archeologici che testimoniano di insediamenti e ville romane.
Proprio nel territorio di Fermignano è ipotizzato uno dei luoghi di svolgimento, nel 207 a.C., della battaglia del Metauro tra i Cartaginesi di Asdrubale ed i Romani guidati dai consoli Livio Salinatore e Claudio Nerone. A conferma di tale tesi si vuole leggere nel toponimo "Monte Sdrovaldo" o "Asdrualdo", attribuito ad un'altura a sud di Fermignano, un riferimento al generale cartaginese. Inoltre, in località Montelce sono ancora visibili i resti di quella che una tradizione locale definisce la "tomba di Asdrubale".

Le testimonianze più importanti della città antica sono il complesso del Ponte e della Torre medioevale con la cascata sul Metauro e il contiguo quartiere medioevale.
L'importanza del castello di Fermignano nel ducato di Urbino era determinata dal fatto che qui era ubicata un'antica cartiera che ha poi continuato a lavorare fino alla fine dell'Ottocento, contribuendo in modo determinante all'economia della città.

Su una collina che domina l'abitato di Fermignano sorge la casa dove secondo un'antica tradizione, suffragata da recenti acquisizioni documentali, nacque uno dei massimi architetti del Rinascimento italiano, Donato Bramante (1444 - 1514); la gloria di aver dato i natali all'artista è rivendicata anche da Urbino, Urbania e San Marino.