Marham comenzó a funcionar en agosto de 1916 como pista de aterrizaje nocturna para el Royal Flying Corps. El Escuadrón n.º 51 llegó en septiembre para realizar patrullas de defensa territorial contra los zepelines, y el aeródromo cerró en 1919. Las obras de la base actual comenzaron en 1935. Se inauguró el 1 de abril de 1937 como base para dos escuadrones de bombarderos pesados. Inicialmente, volaron Fairey Hendon y Handley Page Harrow, y a partir de 1939, Vickers Wellington. El aeródromo se amplió en 1942, y posteriormente se unieron a los Wellington los Short Stirling y los de Havilland Mosquito.

Los Mosquito llegaron el 29 de septiembre de 1942, cuando el Escuadrón n.º 105 se trasladó desde Horsham St Faith. El Escuadrón n.º 139 se unió a él, y los dos escuadrones del Grupo n.º 2 compartieron aeronaves. El 6 de diciembre de 1942, ambos participaron en la Operación Oyster, el ataque diurno a la fábrica de Philips en Eindhoven. El 30 de enero de 1943, tres tripulaciones del Escuadrón n.º 105 bombardearon la sede de la radiodifusión de Berlín a las 11:00, justo cuando Göring tenía previsto hablar. Una segunda oleada del Escuadrón n.º 139 siguió por la tarde. Ambos escuadrones de Mosquito se unieron a la Fuerza de Ataque Nocturno Ligero de los Exploradores a partir del 1 de junio de 1943.

En 1944, Marham cerró sus puertas para la construcción de tres pistas de hormigón y nuevas zonas de estacionamiento. La pista principal tenía 9000 pies de longitud, superando con creces el trazado estándar de la época de guerra. El Centro de Patrimonio de Aviación de la RAF Marham lo considera uno de los cuatro aeródromos para bombarderos superpesados. Otras fuentes indican que se construyeron dos aeródromos según este plan ampliado, siendo Sculthorpe el otro. A finales de la década de 1940, las nuevas pistas recibieron bombarderos B-29 Superfortress y B-50 de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, incluyendo aeronaves para las pruebas del Proyecto Ruby.

A principios de la década de 1950, Marham operaba con aviones English Electric Canberra, y se construyó un depósito especial para bombas atómicas. La Fuerza V llegó en 1956. El Escuadrón n.° 214 se reconstituyó con aviones Vickers Valiant el 21 de enero, el Escuadrón n.° 207 el 1 de abril y el Escuadrón n.° 148 el 1 de julio. En abril de ese año, una delegación soviética, entre cuyos miembros se encontraban Nikita Khrushchev, el mariscal Bulganin y el diseñador A. N. Tupolev, visitó la base. En septiembre y octubre, los tres escuadrones de Valiant se desplegaron en Luqa, Malta, para la operación de Suez, regresando en noviembre y diciembre.

Desde 1957, los Valiant portaban la disuasión nuclear, y el emblema de la base elegido ese año muestra un toro azul con el lema “Deter”. Marham también se convirtió en la base de reabastecimiento de combustible en vuelo de la RAF. Las pruebas Valiant-to-Valiant comenzaron en 1957, y el Escuadrón n.º 214 fue la unidad de pruebas hasta mayo de 1960. Entre sus vuelos récord se incluyen el de Marham a Nairobi (7000 km en 7 horas y 40 minutos) y el de Marham a Changi (13000 km en 15 horas y 35 minutos). En abril de 1962, el Escuadrón n.º 214 se convirtió formalmente en una unidad de reabastecimiento en vuelo.

El Escuadrón n.º 49 se unió a los tres escuadrones Valiant el 26 de junio de 1961. Llevó consigo el XD818, el Valiant que había lanzado la primera bomba de hidrógeno real de Gran Bretaña en 1957. La era Valiant terminó abruptamente. Se detectó fatiga del metal en los largueros de las alas y, el 11 de diciembre de 1964, todos los Valiant fueron inmovilizados. El modelo fue retirado a finales de enero de 1965, y los cuatro escuadrones se disolvieron entre febrero y mayo de 1965. El XD818 permaneció en la base hasta 1982, cuando fue trasladado al Museo de la RAF.

El Handley Page Victor reemplazó al Valiant. El Escuadrón n.° 55 llegó el 24 de mayo de 1965 con seis aviones cisterna Victor BK1A, y el Escuadrón n.° 57 lo siguió en diciembre de ese mismo año. El Escuadrón n.° 214 se reconstituyó con aviones cisterna de tres puntos el 1 de julio de 1966. La base también albergó la Escuela de Reabastecimiento Aéreo y, desde mayo de 1970, la Unidad de Conversión Operativa n.° 232, que había convertido a más de 1400 tripulantes al Victor Mk1 para julio de 1974. Para junio de 1976, ambos escuadrones y la unidad de conversión ya volaban con el Victor K2.

En abril de 1982, los Victors se desplegaron en la Isla Ascensión para la Guerra de las Malvinas. Las fuentes indican que el tamaño de la fuerza era de 14 a 17 aviones: el Museo Imperial de la Guerra describe un destacamento de 17 aviones de los escuadrones 55 y 57, mientras que otros recuentos indican 14 en Ascensión a finales de abril. Para el Black Buck 1, del 30 de abril al 1 de mayo, el plan del Museo de la RAF muestra 18 salidas de reabastecimiento en vuelo. Otros informes indican 15 salidas de Victor con 18 reabastecimientos. El Victor XH672 voló como avión cisterna líder, "Red One".

Los Victor también realizaban misiones de reconocimiento marítimo por radar y reabastecían de combustible a los Nimrod, Hércules, Harriers y Phantoms. Durante la Guerra del Golfo de 1991, los Victor de Marham volaron desde Muharraq, en Baréin. El XH672, pintado como “Maid Marian”, fue el avión cisterna con mayor número de misiones, con 52. El Escuadrón n.º 55, la última unidad de Victor, se disolvió en Marham el 15 de octubre de 1993. El último vuelo oficial de un Victor, a la base aérea de Shawbury, tuvo lugar el 30 de noviembre de 1993.

La construcción de 24 refugios reforzados para aeronaves comenzó en 1977, y el primer Tornado GR1 llegó en 1982. El Escuadrón n.º 617 se reconstituyó como la primera unidad de Tornado de Marham. La historia del escuadrón de la RAF sitúa este hecho en 1982, mientras que otros registros fechan la reconstitución el 1 de enero de 1983. Le siguió el Escuadrón n.º 27. Los Canberra permanecieron en servicio junto a los Tornado: el Escuadrón n.º 100 hasta 1982, y los Canberra de reconocimiento fotográfico hasta 2006.

Los Tornado fueron desplegados en el Golfo Pérsico en 1990 para la Operación Granby. Sesenta GR1 volaron desde Arabia Saudita y Baréin, y el Escuadrón N.° 617 combatió en la campaña. La primera noche, el 17 de enero de 1991, el Comandante de Ala Nigel Elsdon, al mando del Escuadrón N.° 27 desde Marham, y el Teniente de Vuelo Max Collier fueron derribados y murieron. Para 2003, el Escuadrón N.° IX (B) operaba el Tornado GR4 desde Marham. Del 19 al 20 de marzo de 2011, sus aeronaves realizaron viajes de ida y vuelta de 3000 millas para atacar Libia con misiles Storm Shadow en la Operación Ellamy.

Desde 2014, los Tornados de Marham combatieron contra Daesh en Irak y Siria desde la base aérea de Akrotiri, Chipre, en la Operación Shader. La fuerza regresó a Marham el 5 de febrero de 2019 tras cuatro años y medio de servicio continuo, y la RAF retiró los Tornados a finales de marzo de 2019. Marham también había sido la base de ingeniería de los Tornados. BAE Systems gestionaba un centro combinado de mantenimiento y modernización en la base, en virtud del contrato de disponibilidad de los Tornados.

En 2013, Marham fue designada como la única base operativa del F-35B Lightning del Reino Unido. Las cifras publicadas para el programa de construcción varían. Un anuncio del gobierno de 2015 hablaba de más de 300 millones de libras, otros informes citan 250 millones y las obras del Proyecto Anvil se han estimado en 500 millones. En junio de 2017 se adjudicó un contrato de 135 millones de libras para un hangar con capacidad para 12 F-35B, el reasfaltado de la pista y plataformas de aterrizaje vertical. La pista principal permaneció cerrada durante tres semanas en septiembre de 2017 mientras se realizaban las obras de reasfaltado.

La fuerza está gestionada conjuntamente por la RAF y la Royal Navy. El Escuadrón n.º 617 es la unidad de primera línea de la RAF, y el Escuadrón n.º 207 es la unidad conjunta de conversión para pilotos de ambos servicios. El Escuadrón Aéreo Naval 809 pertenece a la Royal Navy. Fue reactivado en Marham el 5 de diciembre de 2023 como el segundo escuadrón de primera línea de F-35B, y la RAF afirma que su personal proviene a partes iguales de ambos servicios. El Cuartel General de la Fuerza Lightning, también en Marham, gestiona todo el programa.

La Oficina Nacional de Auditoría informó en 2025 que el centro de entrenamiento (81 millones de libras), la instalación de mantenimiento y acabado (94 millones de libras) y el Centro de Operaciones Lightning (29 millones de libras) estaban en uso. Otros proyectos se han retrasado. Una instalación de evaluación de firmas de 151 millones de libras, que debía abrir en 2021, no se espera hasta la década de 2030; el Comité de Cuentas Públicas da 2032. El Escuadrón Aéreo Naval 809 todavía opera desde módulos prefabricados, y se espera que sus instalaciones permanentes estén listas en 2029. El personal dijo al Comité de Cuentas Públicas que el alojamiento de la base era "deplorable".

El F-35B opera desde Norfolk, pero fue diseñado para operaciones en portaaviones. En junio de 2020, el Escuadrón n.º 617 embarcó por primera vez aviones Lightning operativos en el HMS Queen Elizabeth. En septiembre de 2020, regresó a bordo para prepararse para el Grupo de Ataque de Portaaviones 21, el primer despliegue operativo del buque. El 23 de junio de 2021, el portaaviones contaba con 18 F-35B de la RAF y del Cuerpo de Marines de los Estados Unidos a bordo, y sus aviones realizaron sus primeras misiones de combate contra Daesh.

El comandante del ala aérea del portaaviones, el capitán James Blackmore de la Marina Real, declaró que se trataba del regreso de la Marina Real a las operaciones de ataque marítimo por primera vez desde Libia, una década antes. También afirmó que era la primera misión de combate de aviones estadounidenses desde un portaaviones extranjero desde el HMS Victorious en 1943. El despliegue también tuvo consecuencias negativas. El 17 de noviembre de 2021, un F-35B del Escuadrón n.º 617 se estrelló durante el despegue del HMS Queen Elizabeth debido a que se había dejado puesta la cubierta de la toma de aire del motor.

En 2025, el Escuadrón Aéreo Naval 809 y el Escuadrón 617 zarparon a bordo del HMS Prince of Wales en la Operación Highmast, un despliegue de ocho meses en el Mediterráneo, Oriente Medio y el Indo-Pacífico. En noviembre de 2025, 24 F-35B británicos se encontraban a bordo, un récord para esta clase de aeronaves. La Marina Real declaró el ataque con portaaviones a plena capacidad operativa el 17 de noviembre. La Oficina Nacional de Auditoría señaló que para alcanzar este objetivo fue necesario recurrir a aeronaves y personal del escuadrón de entrenamiento.