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Sobre el nombre de Catarroja existen dos teorías. La primera afirma que es un híbrido del árabe y del latín. La primera parte, Cata, deriva del árabe y significa «parcela» o «lote de tierras», y la segunda, -rroja, procede de la palabra latina rubea, «roja», por el color de la tierra de cultivo. Según Manuel Sanchis Guarner, el nombre del municipio se traduciría literalmente como «parcela roja».
La segunda teoría afirma que procede exclusivamente del latín, donde Cata deriva de capta, del latín capita, «término» o «punta», mientras que roja procede de la palabra latina roya o roia, derivada de rubea, por el color de la tierra de cultivo o de las aguas turbias de la Albufera al recibir los depósitos aluviales.
El municipio era antes conocido como Cataroya, Cataroia (1238) o Cataroga (1286). Durante la época musulmana era una alquería, que Jaime I donó en 1238 al caballero aragonés Pelegrí d'Atrossillo, aunque en el siglo XIV pasó a ser propiedad de Berenguer Dalmau.
Según los restos arqueológicos encontrados en las partidas del Huerto de Pepica y de El Alter, hay indicios de una ocupación romana. Donde hoy está el polígono industrial se encontraron restos de un hábitat romano republicano destruido en la guerra sertoriano-pompeyana, en el año 75 a. C.