La storia della fontana inizia, in un certo senso, ai tempi dell'imperatore Augusto, quando il genero Agrippa fece arrivare l'acqua corrente fino al Pantheon ed alle sue terme grazie alla costruzione dell'acquedotto Vergine (che si può ammirare anche a Piazza del Popolo). Leggendaria è l'origine del nome Vergine che, secondo Frontino, sarebbe stato dato dallo stesso Agrippa in ricordo di una fanciulla (in latino virgo) che indicò il luogo delle sorgenti ai soldati che ne andavano in cerca.

L'Acquedotto dell'acqua Vergine, benché compromesso e assai ridotto nella portata dall'assedio dei Goti di Vitige nel 537, rimase in uso per tutto il medioevo: fu restaurato già dall'VIII secolo, poi ancora dal Comune nel XII e da Niccolò V e Paolo IV a metà del XV secolo, quando l'acqua tornò a fluire abbondante in una grande vasca con tre bocche di notevole portata. Ma le sorgenti originarie furono riallacciate solo nel 1570 da Pio V, che collocò la vasca dal lato opposto di quello della fontana attuale.

Papa Urbano VIII (Barberini) (1623 - 1644) per primo ordina una "trasformazione" della piazza e della fontana a Giovan Lorenzo Bernini, in modo da creare un nuovo nucleo scenografico vicino al proprio palazzo famigliare, Palazzo Barberini, e ben visibile dal Palazzo del Quirinale, sua residenza. Bernini progetta una grande mostra d'acqua, ribaltando ortogonalmente la mostra dell'acquedotto, sino ad arrivare all'allineamento odierno. La mostra da lui progettata, nota da varia documentazione illustrata, era costituita da un'architettura traforata,incentrata sulla statua della vergine Trivia posta su un basamento sotto il livello dell'acqua, a sembrare sbucare dall'acqua stessa. La morte del Papa e il conseguente processo aperto contro la famiglia Barberini dal nuovo pontefice Innocenzo X Pamphilj con la decisione di affidare al Borromini il trasporto dell'acqua Vergine sino a Piazza Navona per realizzare una nuova mostra monumentale dinanzi al proprio palazzo (realizzata per altro sempre dal Bernini ), porterà a interrompere lavori a livello della vasca e basamento.

Papa Innocenzo XIII (Conti) (1721- 1724) fa allargare le proprietà della propria famiglia fino alla piazza di Trevi, e il palazzo Poli (i componenti della famiglia erano i duchi di Poli) "ingloba" diversi edifici più piccoli, ed arriva ad affacciarsi dietro alla fontana rimasta incompiuta.

All'inizio del XVIII secolo quello della fontana di Trevi diventa un tema obbligato per i numerosi architetti di passaggio a Roma, e l'Accademia di san Luca ne fa il tema di diversi concorsi. Si conoscono disegni e pensieri di Nicola Michetti, Luigi Vanvitelli, Ferdinando Fuga ed altri architetti italiani e stranieri.

Tocca a Papa Clemente XII Corsini (1730 - 1740), nel 1731, il compito di riprendere in mano le sorti della piazza e della fontana: nell'ambito delle grandi commissioni del suo Pontificato che porteranno al completamento di grandi fabbriche rimaste incompiute, bandisce un importante concorso per la costruzione di una grande mostra d'acqua che occupi l'intera facciata del palazzo Poli, con grande disappunto dei duchi di Poli, ancora proprietari dell'edificio, che avrebbero visto la facciata del proprio palazzo diminuita di due interassi di finestre e ancor più coronata dallo stemma Corsini. Il bando viene vinto da Nicolò Salvi, e alcuni diranno a "riparazione" del concorso per la facciata di San Giovanni in Laterano. Salvi inizia la costruzione della fontana nel 1732, impostando l'opera secondo un progetto che raccorda influenze barocche e ancor più berniniane al nuova monumentalismo classicista che caratterizzerà tutto il pontificato di Clemente XII. Egli riprende l'idea di fondo di Urbano VIII e di Bernini, l'idea di narrare, tramite architettura e scultura insieme, la storia dell'Acqua Vergine.

Papa Clemente XII inaugura la fontana nel 1735, con i lavori ancora in corso. Nel 1740, però, la costruzione viene ancora una volta interrotta, per riprendere solo due anni più tardi.

Papa Benedetto XIV (Lambertini) (1740 - 1758) pretende una seconda inaugurazione nel 1744. La prima fase dei lavori termina nel 1747, quando vengono completate le statue e le rocce posticce. Nonostante la morte di Niccolò Salvi (1751), la costruzione prosegue sotto la guida di Giuseppe Panini, che porta finalmente l'opera a compimento nel 1762, sotto Papa Clemente XIII (Rezzonico) (1758 - 1769). Al cantiere, andato avanti per circa un trentennio, hanno lavorato almeno dieci scultori, da Maini a Bracci, oltre al Salvi e al Panini stessi. Alla fine, però, la fontana di Trevi diventa una scenografia e simbolo fondamentale della Roma papale.