Le origini di Capoterra si perdono nella preistoria. Il territorio era già abitato in epoca prenuragica: a Cuccuru Ibba, in prossimità della laguna di Santa Gilla, sono stati rinvenuti i resti di un'officina litica neolitica e le tracce di antiche capanne circolari, testimonianza di insediamenti umani risalenti a migliaia di anni fa.

Il nome stesso della città, Capoterra — in latino Caput Terrae, ovvero "testa della terra" — richiama la sua posizione geografica: era il primo lembo di terra che si incontrava provenendo da Cagliari, dopo aver attraversato la vasta laguna di Santa Gilla. In sardo il paese è ancora oggi chiamato Cabuderra.

Il territorio fu frequentato anche in epoca fenicio-punica, come attestano diversi ritrovamenti archeologici nella fascia costiera e nelle zone pianeggianti affacciate sul Golfo degli Angeli.

Il Medioevo segnò per Capoterra un periodo di grandi turbolenze. Nel 1107 il territorio fu donato alla Cattedrale di San Lorenzo di Genova; nel 1288 subì una dura sconfitta da parte dei Genovesi. Successivamente il territorio passò sotto il controllo di Mariano II di Arborea.

Il 26 febbraio 1324 si consumò nelle campagne vicine la Battaglia di Lucocisterna (o Lutocisterna): oltre 1.200 cavalieri pisani sbarcati nel porto di Maddalena ingaggiarono battaglia con le truppe dell'Infante Alfonso d'Aragona. I Pisani furono sconfitti, aprendo di fatto la strada alla conquista aragonese della Sardegna.

Ma il colpo più grave arrivò nel 1353, quando il paese fu incendiato e completamente distrutto dagli uomini del capitano aragonese Berengario Carroz II, in seguito alle lotte tra il Re d'Aragona e il Giudice d'Arborea. Capoterra rimase così abbandonata e disabitata per quasi tre secoli.

Il 1840 segnò una svolta decisiva: il Re Carlo Alberto di Savoia abolì il sistema feudale in Sardegna, e Capoterra divenne finalmente un comune autonomo, con propria amministrazione e identità civica.

Nel 1858, l'ingegnere francese Gouin acquisì la tenuta di Baccu Tinghinu, dove nel 1865 piantò quello che è considerato l'eucalipto più antico della Sardegna, ancora oggi visibile.

Ma il fatto più straordinario dell'Ottocento capoterrense è senza dubbio l'inaugurazione, nel 1862, della prima ferrovia della Sardegna: un tracciato a scartamento ridotto di appena 600 mm e 14,5 km di lunghezza, che collegava la miniera di San Leone al pontile di Maramura. Curiosità: il treno fu inizialmente a trazione animale! Parti del tracciato sono ancora visibili in agro di Capoterra, insieme alla stazione di Santa Lucia.