In origine erano state costruite due porte che affiancavano la Piramide Cestia, realizzate per agevolare i molteplici traffici tra l’Urbe e il porto di Ostia. La porta occidentale che si protraeva verso i granai della Marmorata, sulle sponde del Tevere, fu successivamente chiusa a causa del migliore collegamento tramite la via Portuense e fu poi demolita nel 1888. Il nome originale della porta superstite era Porta Ostiensis, perché da lì iniziava proprio la via Ostiense, la strada di collegamento fra l’Urbe e l’antico porto di Ostia. Il ruolo fondamentale della Porta venne poi meno con la perdita d’importanza del porto stesso. In seguito fu rinominata Porta San Paolo per l’uscita verso la Basilica di San Paolo fuori le mura.

Tra il 401 e il 403 la Porta fu ristrutturata dall’imperatore Onorio che provvide a mantenere un solo fornice d’ingresso, rinforzando e alzando le due torri laterali, munendole di merli e finestre. All'interno del cosiddetto Castelletto, la controporta simile a una piccola fortificazione edificata da Massenzio all’inizio del IV secolo d.C., è attualmente ospitato il Museo della Via Ostiense della Soprintendenza Speciale di Roma, dove sono esposte ricostruzioni dei porti di Ostia e dei monumenti ritrovati lungo la via Ostiensis.

Fra i tanti interventi di restauro ricordiamo quello fondamentale dell’epoca di Benedetto XIV (1749) che fece restaurare tutta la cinta muraria romana partendo proprio dalla Porta San Paolo fino alla Porta Flaminia, ricordato con una iscrizione celebrativa posta sulla torre orientale. Verso il 1920 la porta fu isolata dalle mura Aureliane per agevolare il traffico dell'area adiacente, lato orientale. In seguito, a causa di un bombardamento durante la seconda guerra mondiale, andò distrutto anche il tratto di mura occidentale, che la collegavano alla piramide Cestia. Il 10 settembre 1943, Porta San Paolo fu teatro dell'ultimo tentativo dell'esercito italiano e dei civili romani di evitare l'occupazione tedesca di Roma.