kun Välimeri oli kuuma kuiva onkalo Messinian Suolapitoisuuskriisin loppuvaiheessa myöhäisellä mioseenilla, Faiyum oli kuiva ontto, ja Niili virtasi sen ohi kanjonin pohjalla (joka oli 2 400 metriä syvä tai enemmän siellä, missä Kairo on nykyään). Kun Välimeri heijastui Mioseenin lopulla, Niilin kanjonista tuli merenvarsi, joka ulottui sisämaahan Assuania pidemmälle. Geologisen ajan kuluessa tuo merivarsi täyttyi vähitellen lieteestä ja muuttui Niilin laaksoksi.
lopulta Niilin laakso liettyi niin korkealle, että Niili pääsi ajoittain tulvimaan faiyumin notkoon ja tekemään siihen järven. Järvi mainitaan ensimmäisen kerran noin 3000 eaa, noin Meneksen (Narmer) ajalta. Suurimmaksi osaksi se täyttyisi kuitenkin vain runsaista tulvavesistä. Järveä reunustivat neoliittiset asutukset, ja sen eteläpuolelle kasvoi Crocodilopoliksen kaupunki, johon korkeampi maa loi harjanteen.
vuonna 2300 eaa niililtä luonnolliselle järvelle johtanutta vesiväylää levennettiin ja syvennettiin kanavaksi, joka nykyään tunnetaan nimellä Bahr Yussef. Tämä kanava laski järveen. Sen oli tarkoitus palvella kolmea tarkoitusta: Niilin tulvimisen hillitsemistä, Niilin vedenkorkeuden säätelyä kuivina kausina ja ympäröivän alueen palvelemista kastelulla. On todisteita siitä, että muinaiset Egyptin faaraot, kahdestoista dynastia, käyttivät luonnollista faiyumin järveä tekojärvenä varastoidakseen ylijäämävettä käytettäväksi kuivina kausina. Kahdennentoista dynastian muinaisen Egyptin faaraoiden toteuttamat valtavat vesityöt järven muuttamiseksi valtavaksi vesialtaaksi antoivat vaikutelman, että järvi itsessään oli keinotekoinen kaivaus, kuten klassiset maantieteilijät ja matkailijat raportoivat. Järvi hylättiin lopulta Niilin lähimmän haaran pienennyttyä kooltaan 230 eaa.
muinaiset egyptiläiset tunsivat Faiyumin nimellä Ylä-Egyptin kahdeskymmenesensimmäinen nome, Atef-Pehu (”Pohjoinen Sycamore”). Antiikin Egyptin aikana sen pääkaupunki oli Sh-d-y-t (kirjoitetaan yleensä ”Shedyt”), jota kreikkalaiset kutsuivat Crocodilopolikseksi ja Ptolemaios II uudelleen arsinoeksi.
alueella on varhaisimmat todisteet maanviljelystä Egyptissä, ja se oli kuninkaallisen pyramidin ja haudanrakennuksen keskus Keskivaltakunnan kahdennellatoista dynastialla ja jälleen Ptolemaioksen dynastian aikana. Faiyumista tuli yksi roomalaisen maailman leipäkoristeista.
kolmen ensimmäisen vuosisadan ajan Faiyumin asukkaat ja muuallakin roomalaisessa Egyptissä paitsi palsamoivat vainajansa myös asettivat vainajan muotokuvan muumion käärinliinan, käärinliinan tai kotelon päälle. Egyptiläiset jatkoivat vainajiensa hautaamista, vaikka roomalaiset suosivat polttohautausta. Nämä faiyumin muotokuvat, jotka ovat säilyneet kuivassa aavikkoympäristössä, muodostavat rikkaimman antiikin ajalta säilyneen muotokuvan. Ne tarjoavat meille näyteikkunan merkittävään yhteiskuntaan, johon kuuluu eri alkuperää olevia kansoja—egyptiläisiä, kreikkalaisia, roomalaisia, syyrialaisia, libyalaisia ja muita—jotka kukoistivat 2000 vuotta sitten Faiyumissa. Faiyumin muotokuvat maalattiin puuhun encaustic-nimisellä pigmentoidulla vahatekniikalla.
1000-luvun lopulla Peltoalue kutistui, ja altaan reunaa ympäröivistä asutuksista luovuttiin. Näihin kohteisiin kuuluu joitakin parhaiten säilyneitä myöhäiseltä Rooman valtakaudelta, erityisesti Karanis, sekä bysanttilaiselta ja varhaiselta Arabikaudelta, joskin viimeaikainen kunnostus on vähentänyt arkeologisia piirteitä huomattavasti.
”Siirtomaatyyppiset” kylien nimet (kylät, jotka on nimetty muualla Egyptissä ja muualla kuin Egyptissä sijaitsevien kaupunkien mukaan) osoittavat, että faiyumissa otettiin paljon maata viljelyyn kreikkalaisella ja roomalaisella kaudella.
Encyclopædia Britannican yhdennentoista painoksen mukaan vuonna 1910 Faiyumin keidasta viljeltiin yli 1000 km2 (400 mile2), ja tärkeimmät viljelykasvit olivat vilja ja puuvilla. Assuanin matalan padon valmistuminen takasi täydemmän vedensaannin, mikä mahdollisti 20 000 eekkeriä (80 km2) maata, jota ei aiemmin ole viljelty ja jota ei ole verotettu, viljelyyn kolmessa vuodessa 1903-1905. Kolme satoa saatiin kahdessakymmenessä kuukaudessa. Provinssi tunnettiin poikkeuksellisen laadukkaista viikunoistaan ja rypäleistään. Myös oliiveja viljeltiin. Ruusuja oli hyvin paljon, ja suurin osa Egyptin ruusujen attarista valmistettiin provinssissa. Faiyumilla oli myös erinomainen lammasrotu.