Aparece documentado por primera vez en septiembre de 1152 cuando Ramón Berenguer IV hizo entrega de la mitad del término a Ponc de Regomir. Se le daban las tierras con la obligación de que edificara ahí un castillo. Una serie de problemas que no han quedado muy claros hicieron que en 1154 las tierras pasaran a manos de Beltran de Cambrils.
En el mes de febrero de 1155 le fue otorgada carta de población por Ramón Berenguer IV quien se reservó los derechos de la señoría. La carta fue confirmada en 1178 por Alfonso I quien reafirmó la donación a los de Cambrils con la obligación de que se encargaran de la repoblación del municipio. Parece ser que el municipio o su guarnición tuvieron gran importancia ya que, en 1202, Pedro II solicitó al alcalde de Cambrils que le ayudara en la defensa de Alfama.
En 1229 parte de las tropas de Jaime I zarpó del puerto de Cambrils, rumbo a la conquista de Mallorca. Algunos habitantes del pueblo participaron de esta conquista así como en la repoblación posterior de valencia
En 1359 se amuralló la ciudad. En 1470, el rey Juan II hizo donación del término a Portugal; sin embargo, la donación no llegó a hacerse efectiva y poco después el señor del castillo se le entregó al duque de Cardona quien mantuvo sus derechos hasta que en 1520 diversos vecinos protagonizaron una revuelta que terminó con el retorno de la ciudad a la señoría real. Perteneció a la Comuna del Camp.
Durante la Guerra de los Segadores tropas fugitivas se refugiaron en la ciudad. El 12 de diciembre de 1640, Cambrils fue asediada por tropas comandadas por el marqués de Los Vélez. Los defensores de la ciudad, encabezados por Antoni d'Armengol, se negaron a entregarla y tuvieron que enfrentarse con un ejército formado por 23.000 infantes, 3.100 caballeros y 24 piezas de artillería. El día 14 caía la ciudad; entre 600 y 1.000 de los defensores fueron asesinados. Los dirigentes de la defensa y las autoridades de Cambrils fueron asesinados y sus cadáveres colgados en las puertas de la villa; los cadáveres permanecieron colgados hasta que en 1641, Josep Margarit i de Biure ordenó su descolgamiento. La crueldad de las tropas castellanas durante el sitio de Cambrils recibió críticas incluso entre los oficiales de su ejército.
En 1811 la ciudad fue ocupada por tropas francesas al mando de Pierre-Joseph Habert. En 1813 los franceses fueron derrotados por tropas inglesas. En 1874 entraron en el pueblo las tropas carlistas que incendiaron el juzgado y el ayuntamiento; además, quemaron y saquearon diversas casas y asesinaron a tres liberales.
