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Es posible que el nombre de Orio no sea más que una deformación del de río Oria, en cuya desembocadura se encuentra la población. La villa se fundó en la Edad Media con el nombre de Noble y Leal Villarreal de San Nicolás de Bari de Orio, que con el tiempo se perdió hasta quedar en Orio. En el habla local y en euskera se pronuncia Oriyo.
El origen del nombre del río es desconocido. En el siglo XVIII el padre Manuel de Larramendi lo atribuía a sus aguas turbias, de color pajizo, que darían (h)oria, «amarillo» en vasco, aunque reconocía que había apellidos y casas llamados Oria sin ese significado. La Wikipedia en euskera recoge también que se ha creído que viene del latín aurea o del color hori, «amarillo». Por esa similitud, el amarillo es desde hace años el color simbólico del municipio, el de su trainera y el de los rótulos de las calles.
Orio fue originalmente una parroquia o colación consagrada a San Nicolás de Bari, incluida en 1180 dentro de los límites de la villa de San Sebastián. Ganó importancia como lugar de paso de la ruta jacobea de la costa, pues los peregrinos vadeaban en barca el Oria a la altura de Orio. El 12 de julio de 1379 el rey Juan I de Castilla le concedió el fuero de San Sebastián, y fundó la villa denominada Villarreal de San Nicolás de Orio.