La zona era abitata sin dall’epoca preistorica, come testimoniano i ritrovamenti oggi conservati nel Museo archeologico nazionale dell’Umbria. Nel 217 a.C. sulle rive del lago ebbe luogo la battaglia del Lago Trasimeno, che vide le forze cartaginesi di Annibale sconfiggere le legioni romane del console Gaio Flaminio. Successivamente, ai tempi dell’imperatore Claudio, per ovviare al problema delle frequenti alluvioni del Trasimeno, i Romani costruirono un primo emissario artificiale collegato al Tevere.
Nel 1422 Braccio da Montone, signore di Perugia, fece realizzare un nuovo emissario, per una lunghezza complessiva di circa 1 km e sviluppato quasi interamente in galleria. Tale opera non fu però risolutiva dei problemi al punto che anche Leonardo da Vinci studiò un ingegnoso sistema idraulico, mai messo in opera, per regolare i flussi in eccesso del Trasimeno e del lago di Chiusi, che prevedeva anche il coinvolgimento del Tevere e dell’Arno. Nella seconda metà del XVI secolo papa Sisto V decise di deviare gli unici immissari naturali del Trasimeno, il Rigo Maggiore e la Tresa, verso il lago di Chiusi. Tra XVIII e XIX secolo si tentò un’ulteriore riduzione del bacino imbrifero (si parlò addirittura di prosciugamento) ma non vennero poi operati interventi.
Dopo anni di dure battaglie con il demanio e gli speculatori, tra il 1896 ed il 1898 il Consorzio di Bonifica presieduto da Guido Pompilj riuscì a realizzare un nuovo emissario, parallelo a quello del XV secolo, per una lunghezza di 7 km ed una portata di 12 m³/s. Scongiurato così il disseccamento artificiale (per il quale era già stata rilasciata la concessione reale) e risolto il problema delle inondazioni e della conseguente malaria, tra gli anni quaranta e gli anni cinquanta del XX secolo, a causa del ricorso intenso all’abbassamento della soglia del nuovo emissario in favore dei potenti proprietari terrieri, si dovette far fronte ad una crisi idrica: il Trasimeno corse addirittura un serio rischio di prosciugamento, con una profondità massima ridottasi a 2,93 metri alla fine degli anni cinquanta. Nel 1952 vennero quindi reintrodotti gli immissari naturali Rio Maggiore e Tresa, deviati nel XVI secolo, ed il recupero avvenne a partire dal 1958. Recentemente, il lago Trasimeno è entrato in una nuova crisi idrica, forse superiore a quella degli anni cinquanta: la sua profondità massima attualmente è di 4,30 metri, ma tra il 2007 e il 2008 è calato di 78 centimetri. Grazie alle abbondanti precipitazioni ott. 2011 mar. 2012 il livello del lago è notevolmente cresciuto (oltre un metro) ed ha raggiunto i meno 40 cm. rispetto allo zero idrometrico posto a 257,33 s.l.m. La piovosità della primavera 2013 ha consentito al bacino umbro di raggiungere i meno 29 cm., un livello record che secondo i tecnici della provincia di Perugia non si registrava da almeno venti anni. Nel febbraio 2014 il Trasimeno ha raggiunto di nuovo, dopo 25 anni, lo zero idrometrico.
Dal 2006 il lago Trasimeno fa parte dell’associazione internazionale “Living Lakes”.
Le colline attorno al lago sono zona di produzione del vino detto dei Colli del Trasimeno.