Les nombreuses découvertes archéologiques opérées au Marillais depuis le XIXe siècle attestent de l’occupation précoce de ce territoire située à la confluence de l’Èvre et de la Loire. Si les témoignages du Paléolithique et du Néolithique sont peu présents sur la commune, le suivi archéologique du site du Vieux-Bourg a permis de mettre au jour un rasoir de l’âge du Bronze, une bague torsadée, un catillus de meule gauloise et une fibule de La Tène II qui pourraient attester d’une occupation pré-romaine du site. Un fragment de céramique étrusque retrouvé sur les grèves de la Loire (IIIe-IIe siècle avant Jésus-Christ), analysé par Jacques Santrot, est par ailleurs l’un des rares témoignages en la matière pour le département. Il tend à prouver des échanges avec l’Étrurie (Italie centrale) à la période de La Tène.

Un diagnostic archéologique mené en 2012 sur le territoire de Saint-Florent-le-Vieil, mais sur le plateau surplombant la confluence de la Loire et de l’Èvre et son versant ouest, à proximité immédiate du Vieux-Bourg, a confirmé une implantation dès la protohistoire dans ce secteur, puis une nouvelle phase d’occupation du Ier siècle après Jésus-Christ jusqu’au Ve siècle.

Par ailleurs, les sondages réalisés par Yann Viau (INRAP) entre 2006 et 2008 à la confluence de l’Èvre et de la Loire, dans un bras colmaté, ont révélé la présence de nombreuses pièces de bois attribuées à des moulins hydrauliques, probablement de type moulins-bateaux, datant des VIIe-Xe siècles. Des fragments de vannerie, mis au jour au même endroit, dans ce même contexte, attestent d’une activité de pêche à la nasse. À une centaine de mètres, deux embarcations monoxyles de plus de 8 m ont été localisées en 2003. L’une d'elles, fouillée en 2009, a été datée entre le début du VIIIe et le premier tiers du Xe siècle.

D’après Teddy Véron, les moines de Saint-Florent, installés au Mont-Glonne de manière certaine au début du VIIIe siècle, ont défriché leur territoire assez rapidement. Avant le Xe siècle, ils établissent ou rétablissent une petite chapelle dédiée à la Vierge au Vieux-Bourg desservie par des religieuses (sanctimoniales) : Notre-Dame du Marillais. Au XIe siècle, une autre chapelle in vallee, c'est-à-dire sur la rive gauche de l’Èvre d’après Célestin Port, était dédiée à saint Jean. En 1853, lors du creusement des tranchées effectuées pour la construction du pont, des anciens murs, des carreaux, des briques, des tombes et, à 2 m de profondeur dans la terre glaise, 6 pièces de bois de 2 à 3 m de longueur sur 0,35 m de diamètre, formant un carré de 6 à 7 m, en façon de pilotis ont été retrouvés. L’historien angevin a vu dans ces éléments les vestiges de la chapelle primitive Saint-Jean. La croix des Pichons en matérialise l'emplacement. Une troisième et dernière chapelle sous le vocable de saint Nicolas est mentionnée à la fin du XIIe siècle comme dépendant de la paroisse. Elle se dressait encore à la fin du XVIIIe siècle sur la pointe du rocher qui domine le Vieux-Bourg, mais se situe actuellement sur le territoire de Saint-Florent-le-Vieil.

L'église Notre-Dame du Marillais (ecclesiam Sancte Marie) est mentionnée dans la bulle d'Innocent II en 1143, puis dans celle d’Urbain III en 1186. À cette époque, elle est l’église paroissiale avec pour annexes Saint-Jean et Saint-Nicolas ; mais dès le XIVe siècle, la chapelle Saint-Jean devient l’église plébéienne, desservie par un vicaire perpétuel, et Notre-Dame est affectée avec tous ses revenus au service des religieux de Saint-Florent. Notre-Dame redevient un temps l’église paroissiale du Marillais entre 1793 et 1850. En 1853, elle est abandonnée au profit d’une nouvelle église paroissiale construite au village de la Gourbillonnière.

La paroisse était sous le contrôle des moines de Saint-Florent-le-Vieil, notamment sous celui du cellérier mais aussi du sacristain qui y possédait une influence étendue. Cet office conférait à son titulaire la cure de Saint-Jean-Baptiste, la chapelle Saint-Nicolas et la chapelle Saint-Éloi en l’église Notre-Dame. Le sacristain possédait une maison dans le Vieux-Bourg qu’il louait pour trente sous, lui préférant sans doute son logement dans l’enclos de l’abbaye de Saint-Florent. D’après Célestin Port, le territoire ne comprenait que six métairies et nulle maison noble. Cette affirmation est contestable pour le Moyen Âge, car l’on trouve dans les archives de l’abbaye de Saint-Florent la mention d’un "herbergement" au Seil appartenant au seigneur de la Bourgognière, Raoul Le Gaudy, en 1340, et un autre lieu noble existait à la Pionnière avant 1461.

À la fin du XVIIIe siècle, la paroisse dépendait du diocèse d’Angers, du baillage, élection et subdélégation d’Angers et du grenier à sel de Saint-Florent. Elle fit partie du district de Beaupréau en 1788 puis de celui de Saint-Florent en 1790. Durant la Révolution, la paroisse subit des troubles importants. La chapelle Notre-Dame fut pillée en mai 1793 par les troupes républicaines du général Tuncq. En décembre 1793 et en mars 1794, pendant la Terreur, les fusillades ordonnées par les généraux Moulin puis Gros firent de nombreuses victimes. Un charnier a été découvert au "Pré des Martyrs", à l'est du Vieux-Bourg, en 1949. Depuis 1953, un autel élevé à cet endroit et un vitrail dans la chapelle Notre-Dame commémorent ce massacre.

Le Marillais comptait 88 feux en 1688, 138 feux en 1789 et 700 habitants en 1831. En 1866, le recensement dénombrait 720 habitants, dont 97 habitants au nouveau bourg Saint-Jean (24 maisons, 24 ménages) et 73 habitants au Vieux-Bourg (19 maisons, 19 ménages). Les autres gros écarts de la commune se situaient au Seil (106 habitants, 29 maisons, 29 ménages), à la Blardière (61 habitants, 14 maisons, 14 ménages) et à la Lande-de-Croulay (56 habitants, 12 maisons, 12 ménages). En 1865, la commune avait récupéré l'Île-aux-Bergères et l'Île-Poulas précédemment rattachées à la commune de Varades (44) et plusieurs écarts (Le Fresne-Vert, Le Trou-Heurteau, Le Busteau, Le Grand-Village) appartenant jadis à la commune d'Anetz (44). Vers 1876, Célestin Port constate qu'une "révolution locale a transformé la commune, et, ce semble avec bénéfice, puisque la décadence si profonde et d'un progrès si rapide, il y a vingt ans, a fait place à une reprise sensible de la vie, qui a presque regagné l'arriéré de 50 ans". Mais dès 1891, la commune voit une baisse de sa population, passant de 790 habitants en 1872 à 723 habitants. Le déclin démographique culminera en 1936 (510 habitants), avant de remonter après la Seconde Guerre mondiale (545 habitants) jusqu'à la fin des années 1960 (607 habitants en 1968). Forte de la construction de plusieurs lotissements à partir du milieu des années 1970 (la Cure, 1976 ; l'Ouche-Neuve, 1990 ; la Gourbillonnière, 1991 et 1995 ; Le Mazureau, 1997), la population sera portée à 681 habitants en 1999 puis à 1130 habitants en 2013.

Le Marillais a de tout temps été une commune agricole. Le cadastre de 1827 indique que sur les 946 hectares composant la superficie de la commune, 339 sont en terres labourables, 374 en prés, 12 en jardins et vergers, 25 en vignes, 10 en bois et 9 en landes. En 1882, 501 hectares du territoire communal étaient en terres labourables, dont 20 hectares de chanvre, 10 hectares de lin et 269 hectares en prairies. À cette date, les dernières zones en bois et en landes avaient totalement disparu.

En 1882, 50 % des exploitations se situaient entre 1 et 5 hectares et 26 % faisaient moins d'un hectare. Seules 4 % des fermes possédaient plus de 20 hectares de terres. Entre 1979 et 2000, le nombre d'exploitations agricoles est passé de 18 à 11.

Sur 64 entreprises présentes sur la commune en 2010, 20 % relevaient du secteur de l'agriculture, 6 % du secteur de l'industrie, 19 % du secteur de la construction, 48 % de celui du commerce et des services et 6 % du secteur de l'administration et de la santé.

Depuis le 15 décembre 2015, Le Marillais est une commune déléguée de la commune nouvelle de Mauges-sur-Loire.