Reperti archeologici testimoniano la presenza dell'uomo nel territorio di Poggio San Marcello sin da tempi antichissimi. Negli anni '50, durante la sua permanenza a Poggio San Marcello, Padre Luigi Agostino Grazzi, missionario Saveriano e profondo conoscitore di storia, fece importanti ritrovamenti archeologici come una autentica tomba di guerriero piceno e notevoli reperti (armature, fibule, lame di pugnale, vasellame) che testimoniano la presenza - in questo territorio - di insediamenti umani fin dal 500 a.c.; esistono, inoltre, le prove del perdurare della vita durante l'impero romano ed anche nei primi tre secoli del cristianesimo, come testimoniano alcune tessere paleocristiane rinvenute casualmente nel 1956 durante i lavori di ristrutturazione della rete fognaria all'interno della cinta muraria del castello. Le origini del Castello si devono far risalire al XIII secolo.

Le cronache riferiscono che doveva essere di quel periodo una "villa" sopra il colle, dove esercitava la sua giurisdizione feudale il vescovo di Jesi.Le testimonianze degli insediamenti monacali del 1200-1300 sono tuttora visibili dalla piccola chiesa di San Marcello al Poggio di stile romanico-benedettino nel cui interno è stato rilevato l'affresco di una crocifissione di sicura e provata scuola fabrianese risalente al 1400 (ora restaurato ed esposto nella chiesa parrocchiale) ; la chiesa di Santa Maria del Monte (a qualche chilometro dal centro abitato, lungo la via Gioncare) di cui, dall' archivio vescovile, si ha notizia fin dal 1200 e la Cripta Gotica risalente anch'essa al 1300. Nel 1261 il Castello di Poggio San Marcello è citato come una realtà urbana già consolidata e fortificata. Entra nell'orbita del comune di Jesi dal 1301. La sua soggezione alla potente città della valle è documentata da un importante documento del 1530.

Si tratta della più antica pergamena che attesta la presentazione del tradizionale palio da parte del Castello alla città dominante, in occasione della festa di San Floriano, protettore di Jesi. Nei secoli centrali dell'età moderna, Poggio San Marcello segue le sorti di Jesi, di cui riconosce il dominio diretto anche se la città concede una certa autonomia alle varie comunità del suo Contado, che si concretizza in vere e proprie magistrature cittadine. Di queste, anche a Poggio San Marcello vi è testimonianza nei locali archivi storici.Il Comune viene annoverato nell'ambito dello Stato jesino fino alla caduta dell'"Ancien Regime" nelle Marche, conseguente all'invasione napoleonica di gran parte dei territori che costituivano lo Stato pontificio. Intensissima fu la vita durante i secoli 1600 e 1700, ce lo testimoniano le belle costruzioni all'interno delle mura castellane: il Palazzo Comunale edificato nel 1772 su progetto di Andrea Vici di Rocca Contrada (ora Arcevia) di recente restauro, presenta un soffitto affrescato con belle decorazioni.Nel 1926 viene decisa la sua soppressione come Comune e l'aggregazione a Castelplanio, in qualità di frazione. Questo stato di cose si è mantenuto fino al 1947, quando Poggio San Marcello è stato ricostituito Comune autonomo.