대한불교조계종 제17교구 본사인 금산사(金山寺)의 말사이다. 754년(경덕왕 13) 법사 통장(通藏)이 창건하였다는 설과 642년(의자왕 2) 거사 부설(浮雪)이 창건하였다는 설이 있다. 그 뒤 1073년(문종 27) 심월(心月)이, 1371년(공민왕 20) 지각(智覺)이 중창하였다.
조선시대의 억불정책으로 인하여 거의 폐허화되었던 것을 1624년(인조 2) 조사 진묵(震默)이 중창하였다. 진묵은 이곳에 머물면서 많은 이적을 남겼는데 그 일화들이 오늘날까지 널리 전승되고 있다. 그 뒤 승려 관준(寬俊, 1850∼1919)이 다시 중창하고 수도하였으며, 1915년 계산(桂山)이 중창하였다.
1933년 주지 김정희(金整禧)가 본전을 중수하고 보광명전(普光明殿)과 칠성각 등을 신축하였다. 1977년 남파(南坡)가 요사와 망해대(望海臺)를 새로 짓고 보광명전 · 낙서전 · 칠성각 등을 복원 중수하였다. 1984년에 보광명전과 칠성각을 헐고 그 자리에 대웅전을 새로 지었다.
1986년에는 낙서전을 해체 복원하였으며, 1989년에는 요사인 청조헌을 중건하고 또한 종각을 새로 지었다. 1991년에는 대웅전을 중수하여 오늘에 이르고 있다. 절이 서해의 섬들을 바라볼 수 있는 위치에 있고, 서해의 일몰을 한눈에 볼 수 있는 경승지이므로 망해사라 하였다고 한다.
현존하는 당우로는 대웅전을 비롯하여 칠성각, 요사채로 사용되는 청조헌(聽潮軒) · 낙서전(樂西殿) 등이 있으며, 유물로는 석비가 있다.
2024년 4월 망해사는 화재를 겪어 일부 전각이 전소되는 피해가 났으나 경관적 가치에는 거의 영향이 없었다. 2024년 6월 18일 국가유산청 자연유산위원회는 망해사 일원 55,824㎡를 국가자연유산 명승으로 지정했다.