При подводни проучвания проведени от проф. Велизар Велков, са намерени амфори от IV-VI в. и вносна червенолакова керамика от Северна Африка, Сирия и Константинопол. В самия град, на южния полуостров, има останки от средновековна крепост. Късноантична и средновековна крепост има и на близкия странджански връх Папия.

С името Василику градът се споменава най-рано от арабския географ Идриси през XII в. Като пристанище Василикос се споменава и през XV-XVI в. За малката крепост на южния нос на Царево малко повече данни дава турският пътешественик Евлия Челеби. През 1662 г. той я нарича Василикоз бургас. Според него „бургас" на гръцки език означава „крепост".

Василикос фигурира в официални данъчни регистри на кааза Анхиало от втората половина на XVII и през XVIII в. Името Басилик се чете върху картата на европейската част на Турция от Кристиян Готлиб Райнхард.

Някога Царево се е казвал Василико. Според едни името му идвало от босилека (василико), според други - от царствен (василевс), а според трети - Васильовци са били най-големият род в стария квартал с рибарските колби, та оттам. Във всеки случай, след като се прости с името на руския природонаучник Мичурин, градът предпочете царствената версия и стана Царево.

След потушаване на Преображенското въстание Царево попаднал отново в турски ръце и окончателно бил освободен след Балканската война в 1912 г. През 1913 г. тук се заселват бежанци от Източна Тракия.

Сега в Царево се намира новото пристанище, благодарение на което се развива и целият Странджански край.