kiedy Morze Śródziemne było gorącą suchą dziurą pod koniec Messyńskiego kryzysu zasolenia w późnym miocenie, Faiyum było suchą dziurą, a Nil płynął obok niego na dnie kanionu (który miał 8000 stóp (2400 m) głębokości lub więcej tam, gdzie jest dziś Kair). Po odpływie Morza Śródziemnego pod koniec miocenu kanion Nilu stał się ramieniem morza sięgającym w głąb lądu dalej niż Asuan. W czasie geologicznym to ramię morskie stopniowo wypełniało się mułem i stało się doliną Nilu.
w końcu dno doliny Nilu zamulone na tyle wysoko, aby Nil okresowo przelewał się do dziury Faiyum i tworzył w niej jezioro. Pierwsze wzmianki o jeziorze pochodzą z około 3000 roku p. n. e., około czasów Menesa (Narmera). Jednak w przeważającej części byłaby ona wypełniona tylko wysokimi wodami powodziowymi. Jezioro graniczyło z osadami neolitycznymi,a miasto Crocodilopolis wyrosło na południu, gdzie wyższe podłoże tworzyło grzbiet.
W 2300 r.p. n. e. droga wodna z Nilu do naturalnego jeziora została poszerzona i pogłębiona, tworząc kanał, który jest obecnie znany jako Bahr Yussef. Kanał ten zasilał jezioro. Miało to służyć trzem celom: kontrolowaniu zalewania Nilu, regulowaniu poziomu wody Nilu w porze suchej i służeniu okolicznym obszarom irygacji. Istnieją dowody na to, że starożytni egipscy faraonowie z XII dynastii używali naturalnego jeziora Faiyum jako zbiornika do przechowywania nadwyżek wody do użytku w okresach suchych. Ogromne wodociągi podjęte przez starożytnych egipskich faraonów z XII dynastii, aby przekształcić jezioro w ogromny zbiornik wodny, sprawiły wrażenie, że samo jezioro jest sztucznym wykopaliskiem, jak donoszą klasyczni geografowie i podróżnicy. Jezioro zostało ostatecznie opuszczone ze względu na zmniejszającą się od 230 roku p. n. e.najbliższą odnogę Nilu.
Faiyum było znane starożytnym Egipcjanom jako dwudziesty pierwszy nome Górnego Egiptu, Atef-Pehu („północny Jawor”). W czasach starożytnego Egiptu jego stolicą było Sh-d-y – T (zwykle pisane „Shedyt”), nazywane przez Greków Crocodilopolis, a przez Ptolemeusza II nazywane Arsinoe.
region ten ma najwcześniejsze dowody na rolnictwo w Egipcie i był centrum królewskiej piramidy i budowy grobowców w XII dynastii w Państwie Środka, a także ponownie za panowania dynastii ptolemejskiej. Faiyum stało się jednym z chlebodawców w świecie rzymskim.
przez pierwsze trzy wieki naszej ery, ludzie z Faiyum i gdzie indziej w Egipcie rzymskim nie tylko balsamowali swoich zmarłych, ale także umieszczali portret zmarłego na twarzy okładek mumii, Całunu lub etui. Egipcjanie kontynuowali swoją praktykę chowania zmarłych, pomimo rzymskich preferencji kremacji. Zachowane w suchym pustynnym środowisku portrety Faiyum stanowią najbogatszy zbiór portretów, jaki przetrwał od starożytności. Dają nam okno na niezwykłe społeczeństwo narodów o mieszanym pochodzeniu-Egipcjan, Greków, Rzymian, Syryjczyków, Libijczyków i innych—które kwitło 2000 lat temu w Faiyum. Portrety Faiyum były malowane na drewnie w technice pigmentowanego wosku zwanej enkaustyką.
pod koniec I tysiąclecia n. e.obszar uprawny skurczył się, a osady wokół krawędzi Kotliny zostały opuszczone. Te miejsca obejmują jedne z najlepiej zachowanych z późnego Cesarstwa Rzymskiego, zwłaszcza Karanis, oraz z okresu bizantyjskiego i wczesnego arabskiego, choć niedawna przebudowa znacznie zmniejszyła cechy archeologiczne.
„kolonialne” nazwy wsi (wioski nazwane od miast w innych częściach Egiptu i miejsc poza Egiptem) pokazują, że wiele ziemi zostało sprowadzonych do uprawy w Faiyum w okresie greckim i rzymskim.
według Encyclopædia Britannica Eleventh Edition, w 1910 r.uprawiano ponad 1000 km2 (400 mil2) oazy Faiyum, z czego głównymi uprawami były zboża i bawełna. Ukończenie budowy tamy Asuańskiej zapewniło pełniejsze zaopatrzenie w wodę, co umożliwiło uprawę 20 000 akrów (80 km2) gruntów, wcześniej niezrównoważonych i nieskażonych, w latach 1903-1905. W ciągu dwudziestu miesięcy uzyskano trzy zbiory. Prowincja była znana ze swoich figi i winogron o wyjątkowej jakości. Uprawiano także oliwki. Różane drzewa były bardzo liczne, a większość attar róż Egiptu został wyprodukowany w prowincji. Faiyum posiadał również doskonałą rasę owiec.