Marham começou em agosto de 1916 como um campo de pouso noturno para o Royal Flying Corps. O Esquadrão nº 51 chegou em setembro daquele ano para realizar patrulhas de defesa aérea contra zepelins, e o aeródromo foi fechado em 1919. A construção da base atual começou em 1935. Ela foi inaugurada em 1º de abril de 1937 como base para dois esquadrões de bombardeiros pesados. Inicialmente, eles operavam Fairey Hendons e Handley Page Harrows, e a partir de 1939, Vickers Wellingtons. O aeródromo foi ampliado em 1942, e Short Stirlings e de Havilland Mosquitoes juntaram-se aos Wellingtons.

Os Mosquito chegaram em 29 de setembro de 1942, quando o Esquadrão nº 105 se transferiu de Horsham St Faith. O Esquadrão nº 139 juntou-se a ele, e os dois esquadrões do Grupo nº 2 compartilharam aeronaves. Em 6 de dezembro de 1942, ambos participaram da Operação Oyster, o ataque diurno à fábrica da Philips em Eindhoven. Em 30 de janeiro de 1943, três tripulações do Esquadrão nº 105 bombardearam a emissora pública de Berlim às 11h, justamente quando Göring faria um discurso. Uma segunda onda de bombardeio do Esquadrão nº 139 seguiu à tarde. Ambos os esquadrões de Mosquito integraram a Força de Ataque Noturno Leve dos Pathfinders a partir de 1º de junho de 1943.

Em 1944, Marham foi fechado para que três pistas de concreto e novos pátios de manobras pudessem ser construídos. A pista principal tinha 2.743 metros de comprimento, bem além do padrão estabelecido em tempos de guerra. O Centro de Patrimônio da Aviação da RAF Marham considera Marham um dos quatro aeródromos para bombardeiros superpesados. Outros relatos apontam para dois aeródromos construídos segundo esse plano ampliado, sendo Sculthorpe o outro. No final da década de 1940, as novas pistas receberam bombardeiros B-29 Superfortress e B-50 da Força Aérea dos Estados Unidos, incluindo aeronaves para os testes do Projeto Ruby.

No início da década de 1950, Marham operava aviões English Electric Canberra, e um paiol de bombas especial para armas atômicas foi construído. A Força V chegou em 1956. O Esquadrão nº 214 foi reformado com Vickers Valiant em 21 de janeiro, o Esquadrão nº 207 em 1º de abril e o Esquadrão nº 148 em 1º de julho. Em abril daquele ano, uma delegação soviética, incluindo Nikita Khrushchev, o Marechal Bulganin e o projetista A.N. Tupolev, visitou a base. Em setembro e outubro, os três esquadrões de Valiant foram enviados para Luqa, em Malta, para a Operação Suez, retornando em novembro e dezembro.

A partir de 1957, os Valiants passaram a carregar o poder de dissuasão nuclear, e o emblema da base escolhido naquele ano mostra um touro azul com o lema "Deter" (Dissuasão). Marham também se tornou a sede do reabastecimento aéreo da RAF. Os testes de reabastecimento entre Valiants começaram em 1957, e o Esquadrão nº 214 foi a unidade responsável pelos testes até maio de 1960. Seus voos recordes incluíram o voo de Marham para Nairóbi (6.997 km em 7 horas e 40 minutos) e o voo de Marham para Changi (13.058 km em 15 horas e 35 minutos). Em abril de 1962, o Esquadrão nº 214 tornou-se formalmente uma unidade de reabastecimento aéreo.

O Esquadrão nº 49 juntou-se aos três esquadrões de Valiant em 26 de junho de 1961. Trouxe consigo o XD818, o Valiant que lançou a primeira bomba H real da Grã-Bretanha em 1957. A era do Valiant terminou abruptamente. Foi detectada fadiga do metal nas longarinas das asas e, em 11 de dezembro de 1964, todos os Valiant foram retirados de serviço. O modelo foi retirado de circulação no final de janeiro de 1965 e os quatro esquadrões foram dissolvidos entre fevereiro e maio de 1965. O XD818 permaneceu na base até 1982, quando foi transferido para o Museu da RAF.

O Handley Page Victor substituiu o Valiant. O Esquadrão nº 55 chegou em 24 de maio de 1965 com seis aviões-tanque Victor BK1A, e o Esquadrão nº 57 seguiu em dezembro do mesmo ano. O Esquadrão nº 214 foi reformado com aviões-tanque de três pontos em 1º de julho de 1966. A base também abrigou a Escola de Reabastecimento Aéreo e, a partir de maio de 1970, a Unidade de Conversão Operacional nº 232, que converteu mais de 1.400 tripulantes para o Victor Mk1 até julho de 1974. Em junho de 1976, ambos os esquadrões e a unidade de conversão já operavam o Victor K2.

Em abril de 1982, os Victors foram destacados para a Ilha de Ascensão para a Guerra das Malvinas. As fontes indicam um contingente de 14 a 17 aeronaves: o Museu Imperial da Guerra descreve um destacamento de 17 aeronaves dos Esquadrões nº 55 e 57, enquanto outras estimativas apontam para 14 aeronaves em Ascensão no final de abril. Para a Operação Black Buck 1, entre 30 de abril e 1º de maio, o plano no Museu da RAF mostra 18 missões de reabastecimento em voo. Outros relatos indicam 15 missões dos Victors com 18 reabastecimentos. O Victor XH672 voou como reabastecedor líder, "Red One".

Os Victors também realizavam reconhecimento marítimo por radar e reabasteciam aeronaves Nimrod, Hercules, Harriers e Phantom. Na Guerra do Golfo de 1991, os Victors baseados em Marham operaram a partir de Muharraq, no Bahrein. O XH672, pintado como "Maid Marian", foi o reabastecedor com o maior número de missões, totalizando 52. O Esquadrão nº 55, a última unidade de Victors, foi desativado em Marham em 15 de outubro de 1993. O último voo oficial de um Victor, para a RAF Shawbury, ocorreu em 30 de novembro de 1993.

A construção de 24 abrigos reforçados para aeronaves começou em 1977, e o primeiro Tornado GR1 chegou em 1982. O Esquadrão nº 617 foi reformado, tornando-se a primeira unidade de Tornado em Marham. Os registros históricos do esquadrão da RAF indicam 1982 como o ano de sua reforma, enquanto outros relatos datam a data de 1º de janeiro de 1983. O Esquadrão nº 27 foi criado em seguida. Os Canberras permaneceram em serviço junto com os Tornados: o Esquadrão nº 100 até 1982 e os Canberras de reconhecimento fotográfico até 2006.

Os Tornados foram enviados para o Golfo Pérsico em 1990 para a Operação Granby. Sessenta GR1s partiram da Arábia Saudita e do Bahrein, e o Esquadrão nº 617 lutou na campanha. Na primeira noite, 17 de janeiro de 1991, o Comandante de Ala Nigel Elsdon, liderando o Esquadrão nº 27 a partir de Marham, e o Tenente de Voo Max Collier foram abatidos e mortos. Em 2003, o Esquadrão nº IX (B) operava o Tornado GR4 a partir de Marham. Entre 19 e 20 de março de 2011, suas aeronaves realizaram viagens de ida e volta de 4.800 quilômetros (3.000 milhas) para atacar a Líbia com mísseis Storm Shadow na Operação Ellamy.

A partir de 2014, os Tornados de Marham voaram contra o Daesh sobre o Iraque e a Síria, partindo da RAF Akrotiri, no Chipre, na Operação Shader. A força retornou a Marham em 5 de fevereiro de 2019, após quatro anos e meio de serviço contínuo, e a RAF aposentou o Tornado no final de março de 2019. Marham também serviu como base de engenharia para o Tornado. A BAE Systems operava uma instalação combinada de manutenção e modernização na base, sob o contrato de disponibilidade do Tornado.

Em 2013, Marham foi designada a única base operacional para o F-35B Lightning do Reino Unido. Os valores divulgados para o programa de construção variam. Um anúncio do governo de 2015 mencionou mais de £300 milhões, outros relatórios citam £250 milhões, e as obras do Projeto Anvil foram orçadas em £500 milhões. Em junho de 2017, foi firmado um contrato de £135 milhões para um hangar para 12 F-35Bs, recapeamento da pista e plataformas de pouso vertical. A pista principal ficou fechada por três semanas em setembro de 2017 para obras de recapeamento.

A força é administrada em conjunto pela RAF (Força Aérea Real Britânica) e pela Marinha Real Britânica. O Esquadrão nº 617 é a unidade de linha de frente da RAF, e o Esquadrão nº 207 é a unidade conjunta de conversão para pilotos de ambas as forças. O Esquadrão Aéreo Naval nº 809 é um esquadrão da Marinha Real Britânica. Ele foi reativado em Marham em 5 de dezembro de 2023 como o segundo esquadrão de linha de frente do F-35B, e a RAF afirma que seu pessoal é composto igualmente por pilotos de ambas as forças. O Quartel-General da Força Lightning, também em Marham, administra todo o programa.

O Gabinete Nacional de Auditoria informou em 2025 que o centro de treinamento (81 milhões de libras), as instalações de manutenção e acabamento (94 milhões de libras) e o Centro de Operações Lightning (29 milhões de libras) estavam em funcionamento. Outros projetos sofreram atrasos. Uma instalação de avaliação de assinaturas, orçada em 151 milhões de libras e com inauguração prevista para 2021, não deverá ser concluída antes da década de 2030; o Comitê de Contas Públicas estima a conclusão para 2032. O Esquadrão Aéreo Naval 809 ainda opera em contêineres e suas instalações permanentes agora estão previstas para 2029. Funcionários relataram ao Comitê de Contas Públicas que as acomodações da base eram “precárias”.

O F-35B é operado a partir de Norfolk, mas foi projetado para operações em porta-aviões. Em junho de 2020, o Esquadrão nº 617 embarcou Lightnings operacionais no HMS Queen Elizabeth pela primeira vez. Em setembro de 2020, a equipe retornou ao porta-aviões para se preparar para o Grupo de Ataque de Porta-Aviões 21, o primeiro desdobramento operacional do navio. Em 23 de junho de 2021, o porta-aviões contava com 18 F-35Bs da RAF e do Corpo de Fuzileiros Navais dos Estados Unidos a bordo, e seus jatos realizaram suas primeiras missões de combate contra o Daesh.

O comandante da ala aérea do porta-aviões, Capitão James Blackmore, da Marinha Real Britânica, afirmou que este era o retorno da Marinha Real aos ataques marítimos pela primeira vez desde a Líbia, uma década antes. Ele também disse que era a primeira missão de combate de aeronaves americanas a partir de um porta-aviões estrangeiro desde o HMS Victorious, em 1943. O destacamento também resultou em uma perda. Em 17 de novembro de 2021, um F-35B do Esquadrão nº 617 caiu durante a decolagem do HMS Queen Elizabeth porque a tampa da entrada de ar do motor havia sido deixada no lugar.

Em 2025, o Esquadrão Aéreo Naval 809 e o Esquadrão nº 617 embarcaram no HMS Prince of Wales na Operação Highmast, um destacamento de oito meses no Mediterrâneo, Oriente Médio e Indo-Pacífico. Em novembro de 2025, 24 caças F-35B britânicos estavam a bordo, um recorde para a classe. A Marinha Real declarou capacidade operacional total de ataque a porta-aviões em 17 de novembro. O Escritório Nacional de Auditoria observou que atingir esse objetivo exigiu o empréstimo de aeronaves e pessoal do esquadrão de treinamento.