Наантали — один из старейших городов Финляндии. Он был основан вокруг средневекового церковного прихода Vallis gratiae, основанного монахами ордена св. Бригитты. Эта церковь до сих пор является крупнейшей в городе. Хартию городских прав поселению даровал шведский король Христофор Баварский в 1443 году. Согласно хартии, поселение получило торговые права и другие привилегии, в связи с чем город начал расти. Он также стал центром паломничества.

В XVI веке, когда католицизм в Скандинавии уступил место протестантизму, приход был закрыт, и в городе наступил упадок, который длился до середины XVIII века, когда город стал таможенным пунктом. В период экономического застоя XVI-XVIII веков город получил известность своими вышитыми чулками — это ремесло возникло в нём ещё со времён существования католического прихода.

В 1863 г. был основан курорт-спа на мысу Калеванниеми, благодаря чему город стал центром уикенд-туризма. В 1922 году усадьба Култаранта на о. Луоннонмаа, владельца которой Альфреда Корделина в 1917 г. убили матросы-мародёры, стала официальной летней резиденцией Президента Финляндии.

С 1950-х гг. начинается экономический расцвет города в связи с основанием вокруг него предприятий тяжёлой промышленности. В 1964 г. в состав города были включены его деревенские пригороды.

С 1 января 2009 г. в состав Наантали включены муниципалитеты Меримаску, Рюмятюля и Велкуа.

Подушный доход в городе — второй по величине в Финляндии и самый высокий в провинции Юго-Западная Финляндия.