On retrouve des traces préhistoriques à Paimboeuf, notamment par la présence d'un menhir (situé dans un jardin privé).
Pendant le Moyen Âge Paimbœuf était un village-îlot de la Loire peuplé par des pêcheurs.
Au XVII siècle, Paimbœuf devient un avant-port de Nantes, les bateaux les plus gros ne pouvant emprunter la Loire jusqu'à la Cité des Ducs. Le village croît grâce au commerce triangulaire (« Bois d'ébène ») et devient peu a peu une ville d'ouvriers et de marins.
De par son essor rapide autour du port, la ville de Paimbœuf est composée de maisons hautes et étroites entassées les unes sur les autres. C'est pourquoi, un regroupement de jardins privés (situés à la place de l'actuel marché) était surnommé, à l'âge d'or de la ville, "les Champs Élysées", équivalent grec du paradis.
Paimbœuf était l'une des quatre ville principales de la Loire-Inférieure au XIX siècle et avait alors un statut de sous-préfecture, après avoir été chef-lieu de district depuis 1790. Le passage à Paimbœuf de Napoléon, préférant le petit village de pêcheurs de Saint-Nazaire sonna le glas de son économie florissante qui petit à petit va décliner. La cité perdra même son statut de chef-lieu d'arrondissement en 1926, pour dépendre administrativement de sa puissante rivale nazairienne.
Cependant, ce déclin n'empèchera pas l'arrivée du train dans la ville en 1875, suite à la construction de la Ligne Nantes - Saint-Hilaire-de-Chaléons - Paimbœuf qui sera fermée au trafic voyageur en 1939 et au fret 1998. En 1906, la création de la ligne Pornic - Paimboeuf (voie métrique) desservira aussi les lieux de villégiature de la Côte de Jade, ce service prendra également fin en 1939.
La Seconde Guerre mondiale se prolongea à Paimboeuf durant 9 mois de plus (d'août 1944 au 11 mai 1945) que dans le reste de la France : c'est l'épisode connu sous le nom de Poche de Saint-Nazaire.
Anecdote : durant la seconde guerre mondiale, une bombe tomba dans une rue de Paimboeuf. Il n'y eu, miraculeusement, aucun mort (en dehors d'un chat). C'est pourquoi cette rue fut renommée la "rue de la Vierge".
