L’insediamento umano nel territorio avvenne sin dalle epoche più remote, come è testimoniato dai numerosi reperti d’epoca preistorica rinvenuti sulle cime di alcuni monti della zona; ma l’importanza del comune era destinata a crescere a seguito della costruzione della Via Flaminia, voluta dal Censore Caio Flaminio nel 220 a.C.
Le origini dell’abitato sono strettamente legate infatti alla sua posizione strategica lungo l’antico tracciato della via Flaminia: il più antico insediamento costituiva una stazione di posta romana, che, denominata in origine Vicus Martis. Dopo la caduta dell’Impero Romano e le devastazioni delle invasioni barbariche, nel VII-VIII secolo fece parte del Ducato longobardo di Spoleto: a tale periodo risale l’origine della costruzione del Castello di Massa. A partire dall’anno Mille subì varie dominazioni di famiglie nobili locali, della Chiesa e della città di Todi. Nel 1565, con il pagamento a Todi di 23.000 scudi d’oro, riuscì ad ottenere l’indipendenza a lungo desiderata che, con la protezione del Collegio dei Cardinali, conservò fino alla creazione del Regno d’Italia.
Soggetta in principio alla famiglia degli Arnolfi, fu motivo di aspre contese tra potenti famiglie nobiliari nonché tra Todi e la Chiesa, finché non ottenne l’indipendenza per concessione di Papa Pio IV. Denominata Massa fino al 1863, deve l’attuale specificazione ai vicini monti Martani; la prima parte del toponimo deriva invece dal latino MASSA ‘massa, ammasso’.