La première mention explicite du village qui soit connue date du IV^e siècle. Elle nous vient du poète et géographe Avienus, qui au IV^e siècle, signalant plusieurs peuplades dans la région, cite oppidum priscum Ra, que le grand historien des Gaules Camille Jullian place à l'endroit de l'actuelle commune. Oppidum signifiant forteresse et priscum ancienne, ce serait donc « l'ancienne forteresse Ra ». Aviennus y voyait le nom égyptien d'une île consacrée à Râ, le dieu du Soleil et père de tous les dieux. Mais, cet oppidum priscum traduit probablement le plus ancien mot gaulois rātis « forteresse »

En 513, le pape Symmaque donne à Césaire le droit de porter le pallium et fait de lui son représentant en Gaule. À cette époque, l'évêque d'Arles évangélise les campagnes encore fortement imprégnées de cultes païens ou romains en transformant si nécessaire d'anciens lieux cultuels en édifices chrétiens. Il crée ainsi un monastère ou une église aux Saintes, ce qui constitue un argument en faveur de la présence d'un temple païen plus ancien en ces lieux. On ne dispose pas de la date exacte de la naissance de cette nouvelle appellation, mais l'on sait que saint Césaire d'Arles a légué par testament, à sa mort en 542, Sancta Maria de Ratis à son monastère.

Le village devint donc Saintes Maries de la Barque (ou Saintes Maries de Ratis), aussi nommé parfois Notre-Dame de la Barque (ou Notre-Dame de Ratis).

Pendant l'hiver 859-860, resté comme le plus rude du IX^e siècle, les Vikings hivernent en Camargue et selon toute vraisemblance, aux Saintes, avant d'entreprendre leur razzia dans la basse vallée du Rhône jusqu'à Valence où ils sont arrêtés par Girart de Roussillon.

En septembre 869, les Sarrasins surprennent lors d'un raid en Camargue, l'évêque d'Arles Rotland en train de superviser la mise en défense de la région. L'évêque fait prisonnier, est échangé contre des armes, des esclaves, et autres richesses. Malheureusement, les Arlésiens ne récupèrent que son cadavre, habillé et mis sur un siège par les Sarrasins au moment de la remise de rançon qui se tient probablement sur la plage des Saintes-Maries-de-la-Mer, à l'embouchure du Rhône de Saint-Ferréol, bras encore actif à cette époque.

L'église telle qu'elle se dresse aujourd'hui date des XI^e et XII^e siècles, les deux dernières travées ayant toutefois été refaites en partie (partie supérieure des murs et toit) au milieu du XVIII^e siècle. Le clocher a subi de son côté de nombreuses réfections, l'état actuel datant de 1901.

C'est environ au XII^e siècle que ce nom se transformera en Notre-Dame-de-la-Mer.

En 1448, sous l'impulsion du roi René, « invention » des reliques des saintes Maries Jacobé et Salomé. L'archevêque d'Arles, Louis Aleman n'assiste pas à cette invention, car il est excommunié depuis 1440 à la suite du concile de Bâle ; en son absence, l'autorité papale est représentée par son légat, Pierre de Foix, l'archevêque d'Aix Robert Damiani et l'évêque de Marseille Nicolas de Brancas. Les comptes rendus de l'époque signalent une église primitive à l'intérieur de la nef actuelle. Pour certains, ce bâtiment pourrait correspondre à une chapelle mérovingienne du VI^e siècle.