Zie Qarun-meer voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Tegen het einde van de Messiniaanse crisis van het late Mioceen was de Middellandse Zee een heet, droog bekken, en de Nijl stroomde op de bodem van een diepe kloof. Nadat de Middellandse Zee aan het einde van het Mioceen zich weer vulde, werd de Nijlkloof een zeearm die landinwaarts voorbij Aswan reikte. In de loop van de tijd vulde de zeearm zich met slib en vormde zich de Nijlvallei.

Uiteindelijk verzandde de bedding van de Nijlvallei hoog genoeg om de Nijl periodiek in de Fajoem-depressie over te laten stromen, waardoor een meer ontstond.

Het meer werd begrensd door neolithische nederzettingen van de Fajoemcultuur, met de vroegste bewijzen voor landbouw in Egypte.

Ze wordt voor het eerst schriftelijk vermeld vanaf ongeveer 3000 v.Chr, rond de tijd van de farao Narmer. De stad Crocodilopolis ontstond op de hogere grond van een heuvelrug.

In 2300 v.Chr. werd de waterweg van de Nijl gekanaliseerd en van sluizen voorzien. Dit was bedoeld om de overstromingen van de Nijl te beheersen, het waterpeil tijdens droge seizoenen te reguleren en het omliggende gebied te irrigeren.

De Fajoem was bij de oude Egyptenaren bekend als de 21e nome van Opper-Egypte, Atef-Pehoe ("noordelijke vijgenboom"). In de Oud-Egyptische tijd was de hoofdstad Sjedit, door de Grieken Crocodilopolis genoemd, en door Ptolemaeus II opnieuw gesticht als Arsinoë.

De regio was een centrum van koninklijke piramide- en grafbouw tijdens de 12e dynastie van het Middenrijk, en opnieuw tijdens het bewind van de Ptolemaeën. De Fajoem werd een van de graanschuren van de Romeinse wereld.

Gedurende de eerste drie eeuwen na Christus balsemden de mensen van de Fajoem en elders in Romeins Egypte niet alleen hun doden, maar plaatsten ook een portret van de overledene over het gezicht van de mummiewindsels, lijkwade of doodskist. De Egyptenaren bleven hun doden begraven, ondanks de Romeinse voorkeur voor crematie. Door de droge woestijnomgeving zijn deze Fajoem-portretten goed bewaard gebleven, en vormen de rijkste portretgalerij die de oudheid heeft overleefd. Ze bieden een kijkje in een opmerkelijke samenleving van volkeren van verschillende afkomst - Egyptenaren, Grieken, Romeinen, Syriërs, Libiërs en anderen - die 2000 jaar geleden in de Fajoem bloeide. De Fajoemportretten zijn op hout geschilderd met een gepigmenteerde wastechniek, encaustiek genoemd.

Aan het einde van het 1e millennium na Christus kromp het akkerbouwgebied, en nederzettingen aan de rand van het bassin werden verlaten. Deze omvatten enkele van de best bewaarde sites uit het laat-Romeinse rijk, met name Karanis, en uit de Byzantijnse en vroege Arabische periode. Naast de mummieportretten zijn de dorpen van de Fajoem ook een belangrijke bron gebleken van papyrusfragmenten met literatuur en documenten in het Latijn, Grieks en verschillende Egyptische schriften.

Volgens de 11e editie van de Encyclopædia Britannica werd in 1910 meer dan 1.000 km² van de Fajoem-oase verbouwd, met als voornaamste gewassen granen en katoen. De voltooiing van de Lage Aswandam zorgde voor een betere watertoevoer, waardoor in de periode 1903-1905 80 km² voorheen niet geïrrigeerd land in cultuur kon worden gebracht. De provincie stond bekend om haar vijgen en druiven van uitzonderlijke kwaliteit. Er werden ook olijven verbouwd, en de meeste rozenolie van Egypte werd in de provincie geproduceerd. DE Fajoem bezat ook een uitstekend schapenras.