Avant la colonisation européenne du Québec, le cap Tourmente était appelé « Ajoasté » par les Iroquoiens du Saint-Laurent qui y vivaient et qui seront approchés par l'explorateur Jacques Cartier lors de son passage. Le nom de « cap Tourmente » apparaît pour la première fois en 1608 sous la plume de l'explorateur Samuel de Champlain qui notait ainsi la propension des eaux du fleuve Saint-Laurent à s'agiter sous le vent à cet endroit :
« De l'isle aux Couldres costoyans la coste, fusme à un cap, que nous avons nommé le Cap de Tourmente, qui en est à sept lieues, et l'avons ainsi appelé, d'autant que pour peu qu'il face de vent, la mer y esleve comme si elle estaoit pleine…. »
Les vestiges d'une ferme, établie par Champlain en 1626, puis détruite par les Anglais en 1628, ont d'ailleurs été mis au jour dans les limites du parc.
Le site jouissant de terres arables de qualité, dès 1664, Monseigneur François de Laval acheta une bonne partie de la Côte-de-Beaupré, dont le territoire du cap Tourmente, afin d'en faire des terres agricoles vouées à l'approvisionnement du Séminaire de Québec. Jusqu'au milieu du XXe siècle, l'agriculture et l'élevage du bétail, en plus de la chasse en saison, constitueront l'activité essentielle des lieux.
Quatre fermes y seront érigées : La Petite-Ferme, la Ferme de la Friponne, la Ferme du bout du cap et la Ferme Chevalier. Un cinquième bâtiment, la Grande-Ferme, établi en 1866 et reconnu monument historique par le Ministère de la culture et des communications du Québec le 28 juillet 1975, est situé à proximité du territoire de la réserve.
De 1747 à 1760, Joseph-Michel Cadet, dit Caddé, devient le nouveau contremaître à la Petite-Ferme. Il est nommé Boucher du Roi et « munitionnaire général de la Nouvelle-France » ce qui lui donne la responsabilité de fournir en matériel et équipement la colonie et le Roi. Il devient rapidement l'homme le plus riche de la Nouvelle-France, ce qui lui vaut un bannissement de neuf ans : on découvre qu'il vendait à un prix démesuré au Roi en partageant les profits avec l'intendant François Bigot et nuisant ainsi aux intérêts de la colonie.
La ferme de la Friponne est construite entre 1750 et 1752 sur les berges de la rivière qui porte aujourd'hui ce nom. Son premier contremaître est un Charlesbourgeois nommé Charles Guilbaut.
Lors de l'invasion de la colonie par les Britanniques en 1759, les soldats du général James Wolfe, après que leurs navires aient jeté l'ancre dans la région, incendièrent et détruisirent les fermes et les terres agricoles dont les bâtiments du cap Tourmente. Dès 1760, les deux fermes sont reconstruites. En 1786, la ferme du bout du cap est aménagée avec ses dépendances. Lorsque les fermiers qui l'habitent la quittent, elle devient un camp pour les pêcheurs d'anguilles du Séminaire. La ferme Chevalier, quant à elle, dont l'histoire est moins connue, fut démolie pierre par pierre pour permettre la construction de la maison d'un médecin de la région à Saint-Ferréol-les-Neiges.
En 1934, l'électricité devient pour la première fois accessible au cap Tourmente et à la Petite-Ferme. En 1940, c'est la ferme de la Friponne qui subit un incendie ; elle ne sera pas reconstruite et ses terres demeureront en friche comme pâturage. Le Centre d'interprétation de la réserve est situé à proximité de la ferme, dont ne subsiste qu'un petit bâtiment, la "Maison des Français". La ferme du bout du cap subira le même sort vers la fin des années 1950.
Le Service canadien de la faune fait l'acquisition en 1969 des terres pour 1 400 000 dollars canadiens. En 1978, la réserve nationale de faune du cap Tourmente est créée afin de protéger les terres humides où pousse la scirpe d'Amérique, plante dont la racine est l'un des mets privilégiés par la grande oie blanche lors de sa halte au cours de ses migrations bisannuelles. Le centre d'interprétation fait son apparition et la Petite-Ferme abrite désormais les bureaux administratifs de la réserve.
En 1981, le cap Tourmente devient la première réserve protégée en Amérique du Nord en vertu de la convention de Ramsar sur la protection des aires humides.
L'entrée, gratuite jusqu'en 1985, devient alors payante et subit des augmentations jusqu'en 1991, puis en 1999. Le coût d'entrée demeure cependant inférieur à celui d'autres sites de plein-air et d'écotourisme de la région de Québec.
En 2008, alors que l'Association des amis de Cap Tourmente évoque un retrait de la contribution annuelle de 125 000 $CAN du gouvernement fédéral qui constitue le tiers du budget d'animation du site et que le député du Bloc québécois de la circonscription électorale de Montmorency—Charlevoix—Haute-Côte-Nord Michel Guimond dénonce le mauvais entretien des lieux, la ministre conservatrice Josée Verner confirme que des négociations sont en cours afin d'assurer le financement à long terme des activités du site.