早在4200多年前的新石器时代，大垛地区便有了人类活动。上世纪60年代末至70年代初，人们在大垛镇东北隅的“芝麻垛”发现了灰坑等人类生存的文化层，1983年在车路河整治工程中发现了麋鹿角化石等，均类似于其后发现的林湖乡南荡古文化遗址上的先民生产、生活遗存，同属于豫东王油坊类型龙山文化（夏朝以前）。
据《史记》、《汉书》、《隋书》、《新唐书》、《资治通鉴》等史籍记载，历夏、商、周、秦以至西汉高祖十二年(公元前195年)，吴王刘濞在包括今大垛在内的吴国东部沿海一带“煮海为业”，生活在大垛这片土地上的先民便以盐业和渔业为生，在与大自然的抗争中繁衍下来。
隋炀帝时，开通了横贯南北的大运河，极大地促进了南北经济文化的交流，东部沿海地区承受了运河文明的润泽。唐天宝十四载(755年)“安史之乱”后，我国的经济中心逐步南移，江淮流域的经济得以迅速发展。唐大历二年(767年)，淮南节度判官李承主建“常丰堰”。北宋天圣元年(1023年)，范仲淹任职兴化，在“常丰堰”的基础上筑成“范公堤”，有效地挡住海水西灌，从而使堤西大片地区免遭盐碱之苦，为农业生产和社会的发展奠定了基础。
南宋建炎二年(1128年)，黄河改道南下，带来了大量的泥砂，里下河一带，特别是兴化境内广袤的沼泽地露出水面。于是，许多无地或缺地耕种的农民就掘土垒田，改造大自然。这样，兴化一带原已形成多年的四面环水、中间凸起的垛岸地形得到了扩大。人们在这些垛上聚居，耕作。
大垛由若干垛岛组成，大者近百亩，小者几分地。其中，今大垛镇东部2个小垛(位于镇东“木匠垛”西南隅河流中)，形同龟眼。镇南“油坊垛”和西北隅垛岛、西南角“火箭垛”(今镇企管站)，酷似龟足。而古镇西部“西星舍”(今安民村委会所在地)以西的“西尖子”宛若隐隐约约的龟尾子。在这些奇特的垛岛中，有1个最大的垛岛，面积近百亩，便是龟身(今大垛镇中心区)。
由于大垛先民对被尊为水神的“北方真武大帝”、舜王时代的治水英雄崇伯鲧(夏禹之父)十分崇拜，在治理沼泽地的过程中，运用自己的智明才智和丰富的想象力，将一个个垛岛组合成一只硕大的喜水而不怕水，且长寿吉祥的“神龟”形象，从而使这方热土旱涝保收，平安幸福。大垛先民对治水的认识和他们的创举，至今值得我们借鉴。
宋元时期，大垛人口众多，生产发展，形成了较大的自然村镇(《扬州百镇》兴化篇)。其时，“春耕秋获，笑歌满野，民多富实，往往重门击柝，拟于公府”(《宋史》)。但南宋的抗金战争和元末战乱，使大垛遭到严重破坏，一时生产凋零，地广人稀。
明代洪武初年(约1368-1372年)，明太祖朱元璋实行“洪武赶散”大移民，将苏州阊门和昆山、句容、镇江等江南几十万人口强迁到田多人少的苏北里下河及盐阜、两淮广大地区(《简明中国移民史》)。这不但给这些地区带来了先进的生产技术和文化，而且也带来了经济发展的契机。此时，由卢、沙、王、吴四大姓聚居的大垛重新崛起。至今流传的民谣“起大(dà)早，喊大(duò音舵)小(即大儿子)，上大(tàī音太，通假太、泰，见段玉裁《说文解字注》、《骈雅训纂》，意即极大)垛”，便是当时先进的吴文化对今大垛镇发展产生促进作用的历史佐证。大垛的地名在此时便传承下来。由单树模先生主编的1988年商务印书馆出版的《中华人民***和国地名词典》江苏卷记述：“大垛镇：明苏州、镇江移民于此，用此名。”此后，明建文四年(1402年)，燕王朱棣起兵“靖难”，部分江南居民为避乱而迁入大垛。明隆庆、万历年间(1567-1620年)，大垛镇得到进一步发展，成为兴化重要集镇。
延至清代，大垛与安丰、戴窑、竹泓、大邹、唐子、中堡、白驹、刘庄、小海齐名，成为“兴化十大镇”之一，其中心地区隶属兴化县所辖灶四(上)里。清咸丰三年(1853年)，太平军占领江南，江宁、镇江、句容、苏州等地的部分居民又迁入大垛定居。
民国元年(1912年)，兴化实行市乡制，大垛为大垛乡。民国二十三年 (1934年)实行保甲制，大垛属第二区。1941年，兴化县抗日民主政府成立，大垛属临城区。1943年10月，大垛部分地区隶属草冯区。同年12月至1949年，大垛部分地区先后隶属兴东县、溱潼县。1949年9月，大垛仍归兴化县。1950年，兴化县***辖19个区、242个乡镇，今大垛北部隶属草冯区，中部隶属大垛区。1958年，兴化实行大乡制，***为35个乡和1个县属镇，今大垛行政区范围隶属大垛乡。1958年，今大垛属竹泓公社。1959年，大垛为兴化县7个片之一，管辖大垛、竹泓、林湖、昌荣4个公社。1963年建立11个区，大垛区辖大垛、荻垛、陶庄公社。1973年，兴化为10个区，大垛区辖大垛、荻垛、陶庄、昌荣公社。1983年，兴化建乡，大垛为大垛乡。1986年12月至今，大垛乡仍为大垛镇。