Cuando el Mar Mediterráneo era un hueco seco y caliente cerca del final de la Crisis de Salinidad Mesiniana a finales del Mioceno, Faiyum era un hueco seco, y el Nilo fluía más allá de él en el fondo de un cañón (que tenía 8.000 pies (2.400 m) de profundidad o más donde está hoy El Cairo). Después de que el Mediterráneo se reflujo a finales del Mioceno, el cañón del Nilo se convirtió en un brazo del mar que llegaba tierra adentro más allá de Asuán. Con el tiempo geológico, ese brazo marino se llenó gradualmente de limo y se convirtió en el valle del Nilo.
Finalmente, el lecho del valle del Nilo se limó lo suficientemente alto como para permitir que el Nilo se desbordara periódicamente en el Hueco de Faiyum y formara un lago en él. El lago se registra por primera vez alrededor del 3000 a.C., alrededor de la época de Menes (Narmer). Sin embargo, en su mayor parte solo se llenaría de aguas de alta inundación. El lago estaba bordeado por asentamientos neolíticos, y la ciudad de Crocodilopolis creció en el sur, donde el terreno más alto creó una cresta.
En el año 2300 a.C., la vía fluvial desde el Nilo hasta el lago natural se amplió y profundizó para formar un canal que ahora se conoce como Bahr Yussef. Este canal desembocaba en el lago. Esto tenía tres propósitos: controlar la inundación del Nilo, regular el nivel del agua del Nilo durante las estaciones secas y servir al área circundante con riego. Hay evidencia de antiguos faraones egipcios de la duodécima dinastía que usaban el lago natural de Faiyum como depósito para almacenar excedentes de agua para su uso durante los períodos secos. Las inmensas obras hidráulicas emprendidas por los antiguos faraones egipcios de la duodécima dinastía para transformar el lago en un enorme depósito de agua dieron la impresión de que el lago en sí era una excavación artificial, según lo informado por geógrafos y viajeros clásicos. El lago fue abandonado debido a que la rama más cercana del Nilo disminuyó de tamaño a partir del año 230 a.C.
Faiyum era conocido por los antiguos egipcios como el vigésimo primer nombre del Alto Egipto, Atef-Pehu («Sicómoro del Norte»). En tiempos del antiguo Egipto, su capital era Sh-d-y-t (usualmente escrito «Shedyt»), llamada por los griegos Crocodilópolis, y refundada por Ptolomeo II como Arsinoe.
Esta región tiene la evidencia más antigua de agricultura en Egipto, y fue un centro de pirámide real y construcción de tumbas en la Duodécima dinastía del Imperio Medio, y de nuevo durante el gobierno de la dinastía ptolemaica. Faiyum se convirtió en uno de los graneros del mundo romano.
Durante los primeros tres siglos d. C., la gente de Faiyum y de otras partes del Egipto romano no solo embalsamaron a sus muertos, sino que también colocaron un retrato de los difuntos sobre la cara de los envoltorios de la momia, el sudario o el estuche. Los egipcios continuaron su práctica de enterrar a sus muertos, a pesar de la preferencia romana por la cremación. Preservados por el ambiente desértico seco, estos retratos de Faiyum constituyen el cuerpo de retratos más rico que ha sobrevivido desde la antigüedad. Nos ofrecen una ventana a una sociedad extraordinaria de pueblos de orígenes mixtos-Egipcios, Griegos, Romanos, Sirios, libios y otros—que floreció hace 2.000 años en Faiyum. Los retratos de Faiyum fueron pintados en madera con una técnica de cera pigmentada llamada encáustica.
A finales del 1er milenio DC, el área cultivable se redujo, y los asentamientos alrededor del borde de la cuenca fueron abandonados. Estos sitios incluyen algunos de los mejor conservados del Imperio Romano tardío, en particular Karanis, y de los Períodos bizantino y árabe temprano, aunque la reciente remodelación ha reducido en gran medida las características arqueológicas.
«Los nombres de pueblos de tipo colonial (pueblos con nombres de ciudades en otras partes de Egipto y lugares fuera de Egipto) muestran que mucha tierra se cultivó en el Faiyum en los períodos griego y romano.
De acuerdo con la Undécima Edición de la Encyclopædia Britannica, en 1910 se cultivaban más de 1.000 km2 (400 mile2) del Oasis de Faiyum, los principales cultivos eran los cereales y el algodón. La finalización de la presa Baja de Asuán aseguró un suministro más completo de agua, lo que permitió que 20.000 acres (80 km2) de tierra, previamente no irrigada y libre de impuestos, se cultivaran en los tres años 1903-1905. Se obtuvieron tres cultivos en veinte meses. La provincia destaca por sus higos y uvas de excepcional calidad. También se cultivaron aceitunas. Los rosales eran muy numerosos, y la mayor parte del attar de rosas de Egipto se fabricaba en la provincia. Faiyum también poseía una excelente raza de ovejas.