Il nome viene dal latino nemus, il bosco sacro. Nell'antichità qui non c'era un paese: c'era il bosco, e nel bosco uno dei santuari più famosi del mondo romano, il tempio di Diana Nemorense, sulla sponda settentrionale del lago, sotto le rupi dove oggi sta l'abitato. Per costruirlo bisognava prosciugare l'estremità nord del lago, e per questo, probabilmente in età repubblicana, fu scavato nella roccia un emissario: un cunicolo lungo poco più di un chilometro e mezzo, alto cinque metri e mezzo all'imbocco, che sbuca nella valle accanto; nei secoli successivi azionava anche una mola. Il lago, però, non è del comune: l'acqua è di competenza provinciale, e a Nemi appartengono soltanto le coste che le girano intorno. Sotto il centro storico si colloca la fonte della ninfa Egeria, che inconsolabile per la morte di Numa Pompilio si ritirò nel bosco di Diana e lì fu trasformata in acqua.
Caligola fece costruire per questo lago due navi enormi, una santuario galleggiante e l'altra nave di piacere con degli edifici sopra; dopo la sua caduta furono affondate. Nel Rinascimento Leon Battista Alberti provò a tirarle su legandole a delle botti galleggianti, e non ci riuscì, perché il legno era marcio. Furono recuperate fra la fine degli anni venti e il 1932, abbassando il livello del lago attraverso l'antico cunicolo romano, e messe in un museo costruito apposta sulla riva. Il trentuno maggio del 1944 il museo bruciò e le navi andarono distrutte. Il resto della storia di Nemi è più piccolo e più ostinato: nel 1482 Sisto IV concesse il feudo ai velletrani per meriti di guerra, la concessione durò poco, e la lite sui confini dovette essere sistemata due volte, nel 1505 e nel 1546. Nel 1514 un Colonna diede al paese i suoi statuti. Oggi Nemi è il secondo comune più piccolo dei Castelli Romani ed è noto per le fragole, che hanno la loro sagra la prima domenica di giugno.