La storia della fontana è strettamente collegata a quella della costruzione dell'acquedotto Vergine, che risale ai tempi dell'imperatore Augusto, quando Marco Vipsanio Agrippa fece arrivare l'acqua corrente fino al Pantheon ed alle sue terme.

Benché compromesso e assai ridotto nella portata dall'assedio dei Goti di Vitige nel 537, l'acquedotto dell'acqua Vergine rimase in uso per tutto il medioevo, con restauri attestati già nell’VIII secolo, poi ancora dal Comune nel XII secolo, in occasione dei quali si provvide anche ad allacciare il condotto ad altre fonti più vicine alla città, poste in una località allora chiamata “Trebium”, che potrebbe essere all’origine del nome. Il condotto dell’Acqua Vergine è il più antico acquedotto di Roma tuttora funzionante, e l’unico che non ha mai smesso di fornire acqua alla città dall’epoca di Augusto.

Il punto terminale dell’”Aqua Virgo” si trovava sul lato orientale del Quirinale, nei pressi di un trivio (“Treio”, nella lingua dell’epoca: altra ipotesi, abbastanza accreditata, sull’origine del nome). Al centro dell’incrocio venne realizzata una fontana con tre bocche che riversavano acqua in tre distinte vasche affiancate; risale al 1410 la prima documentazione grafica della “Fontana del Treio” (o “di Trevi”), così rappresentata. Poco tempo dopo, nel 1453, su incarico di papa Niccolò V, Leon Battista Albertisostituì le tre vasche con un unico lungo bacino rettangolare, appoggiandolo ad una parete bugnata e merlata e restaurando i tre mascheroni da cui fuoriusciva l’acqua.Dopo vari interventi di scarso rilievo, un altro importante restauro di tutto l’acquedotto fu compiuto nel 1570 ad opera di papa Pio V; in quell’occasione furono anche riallacciate le sorgenti originarie.

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