Die erste nachgewiesene Dauersiedlung aus der Bronze- und Eisenzeit befindet sich auf dem „Scheibenstuhl“ westlich von Nenzing. Später wurde von Römern eine Befestigungs- und Verteidigungsanlage gegen die Alemannen erbaut.
Die aus dem Schweizer Kanton St. Gallen stammenden Ritter von Ramschwag erbauten im Zeitraum von 1270 bis 1290 die Burganlage Welsch-Ramschwag. Die Burg und das Burggut Welsch-Ramschwag kamen 1360 als Lehen zu Österreich.
In der ersten Hälfte des 15. Jahrhunderts gründeten Walser die Siedlung Nenzingerberg, die bis ins 20. Jahrhundert auf neun Einzelhöfen ca. 50 Einwohner zählte. 1955 verließen die letzten Walser den Nenzingerberg. Die meisten Häuser wurden abgebrochen und durch Alpgebäude ersetzt. Erhalten ist die Kapelle (St. Martinskirchle). Von zumindest 1815 bis 1920 (Brand des Schulhauses) bestand am Nenzingerberg eine eigene Schule.
Im Jahre 1474 wurde die Grafschaft Sonnenberg, zu der auch Nenzing gehörte, österreichischer Besitz.
Bei einem großen Brand im Jahre 1633 verbrannten im Dorf Kirche, Pfarrhof und 48 Häuser, die Pest forderte wieder ihre Opfer und der Dreißigjährige Krieg brachte Armut und Hungersnöte. Ein zweites Mal wurden 1724 Teile des Dorfes durch einen Großbrand zerstört und 1762 gab es ein Hochwasser an der Meng.
In den Wirren der Napoleonischen Kriege kämpften auch Nenzinger auf Seiten Andreas Hofers gegen die Bayern und Franzosen.
Die Habsburger regierten die Orte in Vorarlberg wechselnd von Tirol und Vorderösterreich (Freiburg im Breisgau) aus. Von 1805 bis 1814 gehörte der Ort zu Bayern, dann wieder zu Österreich. Zum österreichischen Bundesland Vorarlberg gehört Nenzing seit der Gründung 1861. 1872 wurde eine Eisenbahnlinie durch die Gemeinde gebaut.
Der Ort war 1945 bis 1955 Teil der französischen Besatzungszone in Österreich. 1993 wurde Nenzing zur Marktgemeinde erhoben.
Am 22. Mai 2016 geriet der Ort in die internationalen Schlagzeilen, nachdem ein 27-jähriger Vorarlberger bei einem Konzert wahllos in die Menge schoss und dabei zwei Männer und im Anschluss sich selbst tötete. Zwölf weitere Opfer überlebten mit Verletzungen.
