Cartoceto si trova nella bassa valle del Metauro sulla sponda sinistra del fiume, a ridosso delle colline che circondano la vallata, ad una quota di 225m slm. Ad una distanza di circa 5km si trova Lucrezia, popolosa frazione dedita alle attività industriali che occupa la sottile striscia di terra del territorio comunale che dai colli scende fino alle sponde del fiume. Cartoceto dista circa 15km dalla città di Fano e quindi dalle coste del mare Adriatico facilmente raggiungibili grazie alla vicina via Flaminia.
Le origini di Cartoceto risalgono a tempi molto lontani: infatti si ipotizza che il paese venne fondato da Cartaginesi scampati alla battaglia del Metauro (207 a.C.) durante la seconda guerra punica da questo evento dovrebbe derivarne il nome. Certo è che per un lungo periodo della sua storia, specie da parte di persone di cultura, il paese viene detto "Carticeto"; in tal modo lo chiamavano vari arcipreti volendo così alludere agli ormai mitici Cartaginesi.
Un’altra ipotesi sulla scorta delle origini di molti altri paesi della provincia di Pesaro-Urbino farebbe sorgere Cartoceto tra il VI-VIII secolo a causa delle invasioni barbariche che costrinsero la popolazione della valle a rifugiarsi sui colli circostanti per sfuggire alle devastazioni.
Sta di fatto, però, che uno dei resti archeologici di notevole interesse perché databile con certezza è rappresentato da una lapide rinvenuta vicino all’antica Pieve risalente al 79 a.C.; da questa lapide è possibile dedurre la presenza di un abitato nei dintorni.
I rari documenti che parlano di Cartoceto ci dicono che già nel XII secolo era un centro circondato da mura fondamentale per avvistamenti e difesa del territorio intorno a Fano. Certo è che per queste sue peculiari funzioni fu il più importante dei quindici castelli a nord del fiume Metauro.
Cartoceto come gli altri castelli limitrofi fu al centro delle contese tra papato, Malatesta e Montefeltro principali artefici degli assetti economici e politici della zona. I Cartocetani nella loro storia non si fecero indietro di fronte alla minaccia di perdere la propria autonomia e di subire lo sfruttamento economico del vicino governo malatestiano di Fano.
Cartoceto non si sottomise se non per soli 6 mesi a Carlo Malatesta e in più di un'occasione con la complicità di altri castelli, si ribellò a Fano cacciando il suo capitano e chiedendo di dipendere dal Papa e dal Ducato di Urbino.
La rocca e le mura di Cartoceto vennero completamente distrutte da un terremoto il 13 luglio 1572 e poi ricostruite.
In età napoleonica mal sopportò il dominio Francese che impose tasse, requisizioni, confische, e visse con scarsi entusiasmi il passaggio al neonato Regno d'Italia che nel 1866 impose la soppressione del Convento della Pieve e di quello di S. Maria del Soccorso.
