Le radici di Caorle affondano nel I secolo a.C. (il nome deriva dal latino Caprulae, probabilmente a causa delle capre selvatiche che vi pascolavano), come testimoniano numerosi ritrovamenti di epoca romana, come l'"ara Licovia", altare sacrificale custodito ora nel duomo, o i ritrovamenti archeologici in mare. Tuttavia la città cresce e diventa importante come porto della vicina Concordia, per la sua posizione alla foce del Lemene, soprattutto in seguito alle invasioni barbariche degli unni, che spinsero molti concordiesi dall'entroterra alla costa; fu in quel periodo, attorno al VI secolo, che Caorle divenne sede vescovile.
La costruzione dell'odierna cattedrale, tuttavia, risale all'XI secolo, su una pre-esistente basilica paleocristiana, i cui resti sono conservati tutt'ora all'interno del duomo, nel museo annesso e nei giardini della canonica. Nei successivi secoli le sorti di Caorle furono legate a quelli della repubblica Serenissima, con l'alternarsi di concessioni e privazioni di privilegi sulla pesca e sul controllo delle acque, fino alla decadenza avvenuta in epoca napoleonica. Nel XIX secolo fu soppressa la diocesi, e da allora il territorio di Caorle fu annesso al patriarcato di Venezia. Di antica data é la devozione alla Madonna dell'Angelo, tanto amata dai caorlotti; la tradizione racconta che il simulacro della Vergine arrivò per mare, su un "pozzetto" marmoreo galleggiante (custodito nel santuario) che solo dei bambini riuscirono a sollevare e trasportare nella vicina chiesa dedicata a San Michele Arcangelo (di qui il titolo "Madonna dell'Angelo"), laddove invece i pescatori che l'avevano trovata fallirono. La scena di questo ritrovamento portentoso decora parte dela volta dell'odierno santuario. Tragica fu la vicenda che, il 31 gennaio 1923, portò alla distruzione del venerato simulacro, bruciato ad opera di ignoti ladri sacrileghi; gli scultori della val Gardena scolpirono dunque un nuovo simulacro ligneo (quello attuale) che giunse a Caorle dalla Basilica della Salute a Venezia ricoperto da reti, per rievocare il ritrovamento di quello antico. La Madonnina del mare vegliò su Caorle anche nei momenti più difficili.
Ad esempio nel 1727 in occasione di una disastrosa alluvione marina. Molte persone si rifugiarono nella Chiesa della Madonna dell'Angelo cercando riparo, nonostante all'esterno il livello dell'acqua raggiungesse i due metri all interno non penetrò una sola goccia d'acqua.