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El origen del topónimo es incierto. Según algunos historiadores es anterior a la conquista romana y al nombre de Portus que le dieron los romanos. La palabra podría ser celta, derivada de una gens de la tribu de los sántonos (santones), asentada en el suroeste de la Galia, y la misma teoría se aplica a la ciudad francesa de Saintonge.
Desde muy antiguo, los documentos que citan la zona hablan de Santoña refiriéndose al monte, mientras que el núcleo de población, que creció al amparo del primitivo cenobio, se llamaba Puerto. En época del conde castellano Sancho García se conoció el lugar como el peñate de Sancta Onia, en una desfiguración del topónimo; el conde lo proclamaba propiedad del abad y la abadesa del monasterio de Oña y lo repoblaba con gentes dedicadas al comercio y a la pesca de la ballena. En 1579, cuando Felipe II firmó la Cédula Real por la que pasaba a ser villa de realengo, el escribano Diego de Puerta la inscribió como Puerto de Santoña, y así se registra en el catastro del marqués de la Ensenada, en 1753. Todavía en el siglo XVIII desapareció el nombre de Puerto y quedó solo Santoña.
La bahía de Santoña estuvo habitada desde el Paleolítico Superior, según los yacimientos del monte santoñés, estudiados con detalle en los últimos años del siglo XX. Se han hallado utensilios sobre soporte de piedra y arte rupestre en las cuevas del Perro y de San Carlos.
La romanización se produjo a la par que en toda la costa cántabra. Según las fuentes clásicas, el lugar pudo ser Portus Vereasueca, Portus Blendium o Portus Victoriae, sin que se sepa cuál de ellos era.