A l’époque Gallo-romaine, un grand nombre de villages de Beauce portent un nom qui se termine par Ville ou Villiers. 

C’est au Vème siècle, à la suite des guerriers de Clovis, que des Germains arrivent d’Allemagne et s’approprient les terres de chaque village. Alors se constituent des domaines, qui continuent de s’appeler Villa ou Villieri, mais qui prennent le nom des nouveaux occupants. Sur la commune, c’est le Germain Mahin qui possède un domaine important. La ville s’appelle d’abord Mahin Villieri puis Ma-in Villiers et enfin Mainvilliers.

Dès le début du deuxième millénaire, des vignes sont plantées sur le coteau au nord du ruisseau des Vauroux, allant des limites de la ville de Chartres jusqu’aux abords du château, dit de La Garenne. En 1789, à Mainvilliers, au moment de la Révolution française, on ne compte pas moins de 90 à 95 vignerons, 10 à 15 laboureurs, 5 artisans, un maître d’école et un curé. A partir de 1800, la surface cultivée en vignes diminue régulièrement à cause de la suppression des jachères, puis, en raison de l’arrivée de vins venus du midi par la gare de Chartres, construite en 1849. Ces vins concurrencent ceux du terroir chartrain.

En 1791, le hameau de Seresville est rattaché à la commune. Et la population de la Ville augmente régulièrement : 720 habitants en 1835, 974 en 1866, 1372 en 1891, 2178 en 1936. Suite à l’urbanisation de la commune dans les années 1960 à 1980, la mairie, construite en 1902 au «milieu des champs», est devenue le centre de la ville. Son centenaire a été célébré en 2002.

En 1914, près de la moitié des électeurs sont des employés de chemin de fer.