Marham werd in augustus 1916 opgericht als een nachtlandingsplaats voor het Royal Flying Corps. Squadron 51 arriveerde in september van dat jaar om patrouilles uit te voeren ter verdediging van het thuisland tegen Zeppelins, en het vliegveld werd in 1919 gesloten. De werkzaamheden aan het huidige vliegveld begonnen in 1935. Het werd op 1 april 1937 geopend als basis voor twee squadrons zware bommenwerpers. Aanvankelijk vlogen ze met Fairey Hendons en Handley Page Harrows, en vanaf 1939 met Vickers Wellingtons. Het vliegveld werd in 1942 uitgebreid, waarna Short Stirlings en de Havilland Mosquito's zich bij de Wellingtons voegden.

De Mosquito's arriveerden op 29 september 1942, toen Squadron 105 vanuit Horsham St Faith arriveerde. Squadron 139 voegde zich daarbij en de twee squadrons van Groep 2 deelden vliegtuigen. Op 6 december 1942 namen beide squadrons deel aan Operatie Oyster, de aanval overdag op de Philips-fabriek in Eindhoven. Op 30 januari 1943 bombardeerden drie bemanningen van Squadron 105 om 11:00 uur het Berlijnse radiogebouw, net toen Göring zou spreken. Een tweede aanvalsgolf van Squadron 139 volgde in de middag. Beide Mosquito-squadrons sloten zich vanaf 1 juni 1943 aan bij de Light Night Striking Force van de Pathfinders.

In 1944 werd Marham gesloten om plaats te maken voor drie betonnen start- en landingsbanen en nieuwe opstelplaatsen. De hoofdstartbaan was 9.000 voet (ongeveer 2744 meter) lang, aanzienlijk langer dan de standaardlengte tijdens de oorlog. Het RAF Marham Aviation Heritage Centre noemt Marham een van de vier vliegvelden voor "superzware bommenwerpers". Andere bronnen spreken van twee vliegvelden die volgens dit uitgebreide plan werden aangelegd, met Sculthorpe als de andere. Eind jaren veertig landden er B-29 Superfortresses en B-50's van de Amerikaanse luchtmacht op de nieuwe banen, waaronder vliegtuigen voor de Project Ruby-proeven.

Begin jaren vijftig vloog Marham met English Electric Canberras en werd er een speciaal wapendepot gebouwd voor atoomwapens. De V-force arriveerde in 1956. Squadron 214 werd op 21 januari opnieuw opgericht met Vickers Valiants, Squadron 207 op 1 april en Squadron 148 op 1 juli. In april van dat jaar bracht een Sovjetdelegatie, waaronder Nikita Chroesjtsjov, maarschalk Boelganin en de ontwerper A.N. Tupolev, een bezoek aan de basis. In september en oktober werden de drie Valiant-squadrons naar Luqa op Malta gestuurd voor de Suez-operatie, waarna ze in november en december terugkeerden.

Vanaf 1957 voerden de Valiants het nucleaire afschrikkingsmiddel mee, en het basisembleem dat dat jaar werd gekozen, toonde een blauwe stier met het motto "Deter". Marham werd ook de thuisbasis van de RAF-luchtbijtanken. Valiant-naar-Valiant-proeven begonnen in 1957, en No. 214 Squadron was de testeenheid tot mei 1960. Tot hun recordvluchten behoorden Marham naar Nairobi (7900 kilometer in 7 uur en 40 minuten) en Marham naar Changi (1290 kilometer in 15 uur en 35 minuten). In april 1962 werd No. 214 Squadron formeel een tankereenheid.

Het 49e Squadron voegde zich op 26 juni 1961 bij de drie Valiant-squadrons. Het bracht XD818 mee, de Valiant die in 1957 de eerste Britse waterstofbom had afgeworpen. Het Valiant-tijdperk eindigde abrupt. Metaalmoeheid werd geconstateerd in de vleugelspanten en op 11 december 1964 werden alle Valiants aan de grond gehouden. Het type werd eind januari 1965 uit dienst genomen en de vier squadrons werden tussen februari en mei 1965 ontbonden. XD818 bleef tot 1982 op de basis, waarna het naar het RAF Museum ging.

De Handley Page Victor verving de Valiant. Squadron 55 arriveerde op 24 mei 1965 met zes Victor BK1A-tankvliegtuigen, en Squadron 57 volgde in december van dat jaar. Squadron 214 werd op 1 juli 1966 opnieuw opgericht met driepuntstankvliegtuigen. Op de basis was ook de Air Refuelling School gevestigd en vanaf mei 1970 de 232 Operational Conversion Unit, die in juli 1974 meer dan 1400 bemanningsleden had omgeschoold naar de Victor Mk1. In juni 1976 vlogen beide squadrons en de conversie-eenheid met de Victor K2.

In april 1982 werden de Victors naar Ascension Island gestuurd voor de Falklandoorlog. Bronnen geven de omvang van de eenheid aan als 14-17: het Imperial War Museum beschrijft een detachement van 17 vliegtuigen van de squadrons 55 en 57, terwijl andere tellingen spreken van 14 vliegtuigen op Ascension eind april. Voor Black Buck 1, van 30 april tot 1 mei, toont het plan in het RAF Museum 18 tankvluchten. Andere bronnen spreken van 15 Victor-vluchten met 18 tankbeurten. Victor XH672 vloog als leidende tanker, "Red One".

De Victors werden ook ingezet voor maritieme radarverkenning en het bijtanken van Nimrods, Hercules, Harriers en Phantoms. Tijdens de Golfoorlog van 1991 vlogen Victors vanuit Marham vanaf Muharraq in Bahrein. XH672, geschilderd als "Maid Marian", was de meest succesvolle tanker met 52 missies. Squadron 55, de laatste Victor-eenheid, werd op 15 oktober 1993 in Marham ontbonden. De laatste officiële Victor-vlucht, naar RAF Shawbury, vond plaats op 30 november 1993.

In 1977 werd begonnen met de bouw van 24 versterkte vliegtuigloodsen en in 1982 arriveerde de eerste Tornado GR1. Squadron 617 werd opnieuw opgericht als de eerste Tornado-eenheid van Marham. De squadrongeschiedenis van de RAF vermeldt dit jaar 1982, terwijl andere bronnen de heroprichting dateren op 1 januari 1983. Squadron 27 volgde. Canberras bleven naast de Tornado's in gebruik: Squadron 100 tot 1982, en Canberras voor fotoverkenning tot 2006.

Tornado's werden in 1990 naar de Golf gestuurd voor Operatie Granby. Zestig GR1's vlogen vanuit Saoedi-Arabië en Bahrein, en Squadron 617 vocht mee in de campagne. In de eerste nacht, 17 januari 1991, werden Wing Commander Nigel Elsdon, commandant van Squadron 27 vanuit Marham, en Flight Lieutenant Max Collier neergeschoten en gedood. In 2003 vloog Squadron IX (B) met de Tornado GR4 vanuit Marham. Op 19 en 20 maart 2011 maakten hun vliegtuigen heen- en terugvluchten van 3000 mijl om Libië te bombarderen met Storm Shadow-raketten tijdens Operatie Ellamy.

Vanaf 2014 vlogen de Tornado's van Marham vanuit RAF Akrotiri op Cyprus tegen IS boven Irak en Syrië in het kader van Operatie Shader. De vloot keerde op 5 februari 2019 terug naar Marham na vier en een half jaar onafgebroken inzet, en de RAF nam de Tornado eind maart 2019 uit dienst. Marham was tevens de technische basis van de Tornado. BAE Systems beheerde een gecombineerde onderhouds- en moderniseringsfaciliteit op de basis in het kader van het onderhoudscontract voor de Tornado.

In 2013 werd Marham aangewezen als de enige operationele basis voor de Britse F-35B Lightning. De gepubliceerde cijfers voor het bouwprogramma lopen uiteen. Een overheidsaankondiging uit 2015 sprak van meer dan 300 miljoen pond, andere rapporten noemen 250 miljoen pond en de werkzaamheden van Project Anvil worden geschat op 500 miljoen pond. In juni 2017 werd een contract van 135 miljoen pond gegund voor een hangar voor 12 F-35B's, het vernieuwen van het landingsbaanasfalt en verticale landingsplatforms. De hoofdlandingsbaan was in september 2017 drie weken gesloten voor de werkzaamheden.

De eenheid wordt gezamenlijk beheerd door de RAF en de Royal Navy. Squadron 617 is de eerstelijns eenheid van de RAF en Squadron 207 is de gezamenlijke omscholingseenheid voor piloten van beide krijgsmachtonderdelen. Squadron 809 Naval Air Squadron is een squadron van de Royal Navy. Het werd op 5 december 2023 opnieuw in gebruik genomen in Marham als het tweede eerstelijns squadron met F-35B's, en de RAF stelt dat het personeel gelijkelijk verdeeld is over beide krijgsmachtonderdelen. Het hoofdkwartier van Lightning Force, eveneens gevestigd in Marham, coördineert het hele programma.

De Nationale Rekenkamer meldde in 2025 dat het trainingscentrum (£81 miljoen), de onderhouds- en afwerkingsfaciliteit (£94 miljoen) en het Lightning Operations Centre (£29 miljoen) in gebruik waren. Andere projecten hebben vertraging opgelopen. Een beoordelingsfaciliteit van £151 miljoen, die in 2021 zou moeten openen, wordt pas in de jaren 2030 verwacht; de Commissie voor Openbare Rekeningen geeft 2032 als verwachte datum. 809 Naval Air Squadron werkt nog steeds vanuit portacabins en de permanente faciliteiten worden nu pas in 2029 verwacht. Personeel vertelde de Commissie voor Openbare Rekeningen dat de accommodatie op de basis "armoedig" was.

De F-35B wordt gestationeerd in Norfolk, maar is gebouwd voor operaties vanaf een vliegdekschip. In juni 2020 nam Squadron 617 voor het eerst operationele Lightnings mee aan boord van de HMS Queen Elizabeth. In september 2020 keerde het squadron terug aan boord ter voorbereiding op Carrier Strike Group 21, de eerste operationele inzet van het schip. Op 23 juni 2021 had het vliegdekschip 18 F-35B's van de RAF en het Amerikaanse Korps Mariniers aan boord, en de straaljagers vlogen hun eerste gevechtsmissies tegen Daesh.

De commandant van de luchtmachteenheid van het vliegdekschip, kapitein James Blackmore van de Royal Navy, zei dat het de eerste keer was dat de Royal Navy sinds Libië, tien jaar eerder, weer een maritieme aanval uitvoerde. Hij zei ook dat het de eerste gevechtsmissie was van Amerikaanse vliegtuigen vanaf een buitenlands vliegdekschip sinds de HMS Victorious in 1943. De missie bracht echter ook een verlies met zich mee. Op 17 november 2021 stortte een F-35B van No. 617 Squadron neer tijdens het opstijgen vanaf de HMS Queen Elizabeth omdat een afdekking van de luchtinlaat van een motor was blijven zitten.

In 2025 voeren 809 Naval Air Squadron en No. 617 Squadron mee op Operatie Highmast aan boord van de HMS Prince of Wales, een acht maanden durende missie naar de Middellandse Zee, het Midden-Oosten en de Indo-Pacifische regio. In november 2025 bevonden zich 24 Britse F-35B's aan boord, een record voor dit type gevechtsvliegtuig. De Royal Navy verklaarde op 17 november dat de carrier strike-operaties volledig operationeel waren. De National Audit Office merkte op dat het behalen van dit doel betekende dat er vliegtuigen en personeel geleend moesten worden van het trainingseskader.