De origens remotas, foi o domínio árabe que marcou o desenvolvimento do lugar e lhe deu o nome. Segundo a lenda, durante a Reconquista Cristã o cavaleiro templário Gonçalo Hermingues, conhecido por Traga-Mouros, apaixonou-se por Fátima, uma moura cativa durante uma emboscada. Correspondendo ao amor, a jovem converteu-se ao cristianismo tomando o nome de Oureana.

No séc. XVI, a localidade foi elevada a paróquia da colegiada de Ourém, integrando-se então na Diocese de Leiria.

A localidade desenvolveu-se bastante a partir do acontecimento das Aparições de Fátima, no início do séc. XX, transformando-se num dos maiores centros do culto mariano em Portugal, reconhecido mundialmente pela Igreja Católica.

A 1º aparição teve lugar em 1917, no lugar da Cova da Iria, onde se situa atualmente o Santuário. As maiores manifestações dos devotos ocorreram a 13 de Maio (onde se destacam a Procissão das Velas, no dia 12 à noite, e a Procissão do Adeus, no dia 13, que encerra as celebrações) e a 13 de Outubro. No entanto, entre estas duas datas, todos os dias 13 são de devoção.

Relacionado com o culto a Nossa Senhora de Fátima, podem visitar-se as casas onde viveram os pastorinhos videntes, na aldeia de Aljustrel.

No quintal da Casa de Lúcia, um monumento assinala a 2ª aparição do Anjo da Paz e o fim da Via Sacra, iniciada no Santuário. Ao longo da via existem 14 capelinhas oferecidas pelos católicos húngaros refugiados no Ocidente. Destaca-se a passagem por Valinhos, a 400 metros da aldeia, onde monumentos assinalam o local da 4ª aparição em 1917 e a Loca do Anjo, onde em 1916 os pastorinhos viram o Anjo da Paz da 1ª e 3ª vezes.

Todos os dias 13, dos meses de maio a outubro , o Santuário de Fátima recebe milhares de peregrinos e turistas para celebrar as datas das aparições de Nossa Senhora aos três videntes e para visitar todos os locais relacionados com este culto.

Para além do Santuário, construído onde se verificou a primeira aparição, existe uma Via Sacra em Aljustrel, a cerca de 2 quilómetros, que percorre os locais onde Lúcia de Jesus (10 anos) e seus primos Francisco e Jacinta Marto (9 e 7 anos respetivamente ) viram o Anjo e Nossa Senhora.

Em 1916, entre abril e outubro , o Anjo apareceu por 3 vezes às crianças convidando-os à oração e à penitência.
A 13 de maio de 1917, quando apascentavam um pequeno rebanho na Cova da Iria e depois de rezarem o terço por volta do meio-dia, de repente viram uma luz e uma «Senhora mais brilhante que o Sol» em cima de uma pequena azinheira (onde agora se encontra a Capelinha das Aparições).
A Senhora disse aos três pastorinhos que deviam rezar muito e convidou-os a voltarem à Cova da Iria durante os cinco meses seguintes, sempre no dia 13 e àquela hora.
As crianças assim fizeram e nos dias 13 de junho , julho , setembro e outubro , a Senhora voltou a aparecer e a falar-lhes.
A 19 de agosto , a aparição deu-se no sítio dos Valinhos, a uns 500 metros do lugar de Aljustrel, pois no dia 13 as crianças tinham sido levadas pelo Administrador do Concelho para Vila Nova de Ourém.

Na última aparição, a 13 de outubro , perante cerca de 70.000 pessoas, a Senhora disse-lhes que era a «Senhora do Rosário» e pediu que fizessem ali uma capela em Sua honra.
Depois da aparição, todos os presentes observaram o milagre: o Sol, assemelhando-se a um disco de prata, podia fitar-se sem dificuldade e girava sobre si mesmo como uma roda de fogo, parecendo precipitar-se na terra.

Posteriormente, Lúcia (convertida a religiosa de Santa Doroteia) teve ainda três visões de Nossa Senhora em Espanha (a 10 de dezembro de 1925, a 15 de fevereiro de 1926 e na noite de 13/14 de junho de 1929), pedindo a devoção dos cinco primeiros sábados e a Consagração da Rússia ao Imaculado Coração de Maria. Este último pedido fazia parte do chamado «Segredo de Fátima» - um conjunto de revelações que Lúcia terá escrito para dar conhecimento ao Papa Pio XII.

A 13 de outubro de 1930, o Bispo de Leiria declarou dignas de crédito as aparições e autorizou oficialmente o culto de Nossa Senhora de Fátima, pela provisão «A Divina Providência».

A 13 de maio de 2000, o papa João Paulo II beatificou, em Fátima, os videntes Francisco e Jacinta Marto.