Det området som vi i dag kaller Normandie var i antikken befolket avkeltiske stammer, og ble erobret avromerne i 56fvt. Dette området var en del av den galliske provinsen Lugdunensis (Lyonnaise), som på 300-talletevt. ble inndelt i fire provinser, der den ene av dem, Lugdunensis Secunda (Seconde Lyonnaise), tilsvarer omtrent det som i dag er regionen Normandie. Hovedstad i Lugdunensis Secunda var Rotomagus, vår tidsRouen. Andre romerske byer i denne provinsen var Civitas Baiocassium (Bayeux), Civitas Abrincatum (Avranches), Civitas Ebroicorum (Évreux), Civitas Saiorum (Sées), Civitas Lexoviorum (Lisieux) og Civitas Constantia (Coutances).

Etter Romerrikets sammenbrudd, erobretfrankerne store deler av det nåværende Frankrike, og dagens Normandie var en del av Frankerrikets nordvestlige del, som ble kaltNeustria.Kristendommen ble innført og styrket sin posisjon i dette området underFrankerriket, og flereklostre ble grunnlagt i denne perioden (Saint-Ouen de Rouen, Saint-Wandrille, Saint-Pierre de Jumièges).

Neustria ble utsatt for angrep fravikinger fra rundt 790, med plyndringer og ødeleggelser.Rouen ble plyndret i 841, og byen ble utsatt for store ødeleggelser, og ble angrepet på nytt i 843. HistorieskriverenDudo av Saint-Quentin skrev at den danske vikinghøvdingenRollo bemektiget seg Rouen i 876, men nyere forskning antyder at dette sannsynligvis skjedde noe senere (etter 890).

I Saint-Clair-sur-Epte-traktaten fra 911 ga den franske kongenKarl den Enfoldige Rollo herredømmet over områdene rundtRouen,Évreux ogLisieux. Rollos etterfølgere ble etter hvert hertuger i det hertugdømmet som senere skulle omtales som Normandie, og som var oppkalt etternormannerne. Hertugdømmet ble senere utvidet vestover av Rollos sønn, Vilhelm Langsverd.

Innvandringen fraSkandinavia i denne perioden var betydelig, og påvirket samfunnet på flere måter. Arven etter vikingene er synlig for eksempel i de mange stedsnavnene i Normandie som er av skandinavisk opprinnelse.

På 1000-tallet var Normandie en velorganisert og relativt rik stat med et effektivt sentralstyre.Olav den hellige kom hit i 1012 somleietroppsfører for hertug Rikard 2, og ble senere, i 1013 eller 1014, døpt i Rouen av erkebiskop Robert, som var hertugens bror.

Vilhelm Erobreren var hertug av Normandie fra 1035 til 1087, og han ble også kronet til konge avEngland etter å ha beseiret den engelske kongenHarald Godwinson islaget ved Hastings i 1066. Det 70,34 meter langeBayeuxteppet, som er utstilt i det tidligere biskop-palasset iBayeux, fremstiller hendelsene som utspant seg i forbindelse med dette slaget.

Den franske kongenFilip 2. August kjempet motRikard Løvehjerte (fra 1195) og hans etterfølgerJohan uten land, og sørget i 1204 for at Normandie ble en del av Frankrike, menKanaløyene forble en del av den engelske tronen.

UnderHundreårskrigen var Normandie i perioder okkupert av engelskmennene, og det var under denne okkupasjonen atJeanne d'Arc ble henrettet iRouen i 1431.

Etter at Hundreårskrigen var slutt, opplevde Normandie betydelig økonomisk ogdemografisk vekst. Rouen var på 1500-tallet en av de største byene i Frankrike, og i 1517 grunnlaFrans 1.Le Havre, en by som seinere ble en av Frankrikes viktigste havnebyer.Honfleur var også en viktig sjøfartsby på 1500- og 1600-tallet.

EtterDen franske revolusjon i 1789 ble Normandie inndelt i femdepartementer. Det som regionen tidligere hadde hatt av muligheter for indre selvstyre forsvant, og Normandie ble underlagt sentralmakten iParis.

Under industrialiseringen på 1800-tallet flyttet folk inn til byene, og særlig iLe Havre ogRouen økte folketallet, mens folketallet for regionen som helhet var stabilt. Le Havre var en viktig havneby med flere skipsverft. Rouen var blant annet kjent for sin tekstilindustri. En jernbanelinje mellom Paris og Rouen åpnet i 1843, og ble forlenget til Le Havre i 1848. I den vestlige delen av Normandie (den tidligere regionen Basse Normandie) gikk industrialiseringen langsommere, og i en by somCaen økte folketallet nesten ikke i det hele tatt i løpet av 1800-tallet.

Kulturlivet i Normandie var rikt på 1800-tallet. Kjente forfattere somGustave Flaubert ogGuy de Maupassant var fra Normandie, og malerenClaude Monet, som bosatte seg i Giverny, malte mange av sine mest kjente bilder i Normandie.

Underden fransk-tyske krigen fra 1870 til 1871, var deler av Normandie okkupert av de prøyssiske styrkene.

I 1944, underandre verdenskrig, fantde alliertes landgang sted i Normandie. Operasjonen ble innledet 6. juni 1944 (D-dagen) under ledelse av den amerikanske generalenDwight D. Eisenhower, mens den britiske generalenBernard Law Montgomery var sjef for hærstyrkene. De allierte gikk i land på fem steder i bukten mellom halvøyaCotentin i vest og havnebyen Ouistreham i øst. Britiske og kanadiske styrker gikk i land på strendeneSword,Juno ogGold i øst, og amerikanerne gikk i land på strendeneOmaha ogUtah i vest.

Etter seks dager hadde de allierte satt i land rundt 300 000 mann, og hadde brutt gjennom den tyskeAtlanterhavsvollen. Etter en måned stod rundt én million allierte soldater på fransk jord.

En rekke byer i Normandie fikk enorme skader under krigen, og man regner med at rundt 20 000 sivile ble drept. Store deler av Caen og Le Havre ble fullstendig ødelagt etter alliert bombing. Gjenoppbyggingen av disse to byene tok lang tid, og arbeidet var ikke ferdig før i 1960-årene. Le Havre ble gjenreist etter en plan av arkitektenAuguste Perret, og den rekonstruerte delen av byen ble i 2005 ført opp påUNESCOs Liste over verdens kultur- og naturarv.

Store infrastrukturprosjekter ble gjennomført i andre halvdel av 1900-tallet. Det ble bygget tre store broer overSeinen: Pont de Tancarville (1959), Pont de Brotonne (1977) ogPont de Normandie (1995). Motorveien mellom Paris og Normandie (A13) ble åpnet i 1946, og var den første motorveien i Frankrike. Industrialiseringen fortsatte i denne perioden, delvis som en følge av desentraliseringspolitikken i etterkrigstiden, og store industribedrifter etablerte seg i Normandie.Renaults bilfabrikk i Sandouville utenfor Le Havre ble grunnlagt i 1964, og hadde på det meste 13 000 ansatte, mensCitroën etablerte en bilfabrikk i Caen i 1963.

I 1956 bleregionene opprettet som en ny administrativ enhet i Frankrike, og Normandie ble delt i to: Haute-Normandie og Basse-Normandie. I 2016 ble de to regionene slått sammen.