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 tracce di antiche capanne circolari.

Il nome Capoterra deriva dal latino Caput Terrae — "testa della terra" — perché era il primo lembo di terra che si incontrava provenendo da Cagliari, attraversata la 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 nella fascia costiera affacciata sul Golfo degli Angeli.

Il Medioevo fu per Capoterra un periodo di grandi turbolenze. Nel 1107 il territorio fu donato alla Cattedrale di San Lorenzo di Genova; nel 1288 subì la pressione genovese. Successivamente passò sotto il controllo di Mariano II di Arborea.

Il 26 febbraio 1324 si consumò nelle campagne vicine la Battaglia di Lucocisterna: oltre 1.200 cavalieri pisani sbarcati a Maddalena furono sconfitti dalle truppe dell'Infante Alfonso d'Aragona, aprendo la strada alla conquista aragonese della Sardegna.

Il colpo più grave arrivò nel 1353, quando il paese fu incendiato e distrutto dal capitano aragonese Berengario Carroz II. Capoterra rimase così abbandonata e disabitata per quasi tre secoli.

Nel 1840 fu abolito il sistema feudale e Capoterra divenne un comune autonomo.

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.

Nel 1862 fu inaugurata la prima ferrovia della Sardegna: 14,5 km a scartamento ridotto (600 mm) dalla miniera di San Leone al porto di Maramura. Curiosità: inizialmente il treno era a trazione animale. La stazione di Santa Lucia è ancora visibile.