Der Name kommt vom lateinischen nemus, dem heiligen Hain. In der Antike gab es hier keinen Ort: es gab den Hain, und in ihm eines der berühmtesten Heiligtümer der römischen Welt, den Tempel der Diana Nemorensis, am Nordufer des Sees, unter den Felsen, auf denen heute der Ort liegt. Um ihn zu bauen, musste das Nordende des Sees trockengelegt werden, und dafür wurde, wahrscheinlich in republikanischer Zeit, ein Abfluss in den Fels getrieben: ein Stollen von etwas mehr als anderthalb Kilometern Länge, an der Mündung fünfeinhalb Meter hoch, der im Nachbartal ans Licht kommt; in späteren Jahrhunderten trieb er auch eine Mühle an. Der See selbst aber gehört der Gemeinde nicht: das Wasser fällt in die Zuständigkeit der Provinz, und Nemi gehören nur die Ufer, die es umlaufen. Unter der Altstadt vermutet man die Quelle der Nymphe Egeria, die, untröstlich über den Tod des Numa Pompilius, sich in den Hain der Diana zurückzog und dort in Wasser verwandelt wurde.
Caligula ließ für diesen See zwei gewaltige Schiffe bauen, eines ein schwimmendes Heiligtum, das andere ein Lustschiff mit Gebäuden darauf; nach seinem Sturz wurden sie versenkt. In der Renaissance versuchte Leon Battista Alberti, sie an schwimmende Fässer gebunden zu heben, und scheiterte, weil das Holz vermodert war. Geborgen wurden sie zwischen den späten zwanziger Jahren und 1932, indem man den Seespiegel durch den alten römischen Stollen senkte, und in ein eigens am Ufer gebautes Museum gestellt. Am einunddreißigsten Mai 1944 brannte das Museum, und die Schiffe wurden zerstört. Der Rest der Geschichte Nemis ist kleiner und hartnäckiger: 1482 verlieh Sixtus IV. das Lehen den Leuten von Velletri für Kriegsverdienste, die Verleihung hielt nicht lange, und der Grenzstreit musste zweimal geregelt werden, 1505 und 1546. Im Jahr 1514 gab ein Colonna dem Ort seine Statuten. Heute ist Nemi die zweitkleinste Gemeinde der Castelli Romani und bekannt für seine Erdbeeren, die am ersten Sonntag im Juni ihr Fest haben.