Les plus anciennes traces d'occupation humaine dans le district de Kostheim remontent au néolithique. A l'époque romaine, Kostheim avait une importance stratégique : d'abord comme base militaire pour assurer le passage sur le Main, puis comme tête de pont pour un pont fixe en bois construit dans les années 75-110 après J.-C. et qui traversait le fleuve à l'ouest de l'église actuelle. Une route militaire reliant Kastel à Heddernheim touchait également le village ; la route dite "Steinern" en faisait partie. De nombreuses découvertes indiquent qu'une colonie romaine s'est peu à peu développée à Kostheim. Cette époque s'est achevée en 406 dans la lutte contre les Alains, les Suèves et les Vandales. En tant que passage fluvial, Kostheim a eu une grande importance depuis cette époque et on peut supposer que le site romain a été repris par les Germains. C'est ce qu'indique également le nom du lieu, que l'on peut interpréter comme étant celui des premiers Francs.

La nouvelle la plus proche de Kostheim est sa première mention dans un document datant de 790. Le 31 août de cette année, Charlemagne a établi deux documents dans la "villa Copsistaino". Ce nom est dérivé du latin "caput stagni", "tête au marais". D'autres formes de noms sont "Chuffingstang", puis "Cufstain" et, depuis 1217, "C(h)ostheim". Le patronage de l'église locale St. Kilian ainsi que la dîme revenaient au couvent de religieuses d'Altmünster de Mayence, qui était le seigneur le plus important de Kostheim. Le curé local et le sonneur de cloches étaient rémunérés par le couvent, qui était également responsable de l'entretien de l'église. Le couvent de l'ancienne cathédrale possédait également le bac sur le Main, qu'il loua en 1432 aux passeurs de Kostheim ; il avait également loué ses terres à Kostheim à d'autres institutions religieuses. Les seigneurs d'Eppstein disposaient probablement aussi de leur propre seigneurie à Kostheim. Mais il est difficile de la séparer du bailliage de Kostheim, qu'ils avaient déjà reçu en fief au 12ème siècle et qu'ils faisaient exercer par des sous-vassaux mandatés. L'autorité ecclésiastique intermédiaire était l'archidiaconé du prévôt de Saint-Pierre à Mayence, doyenné de Kastel.

Le tribunal de Mechtildshausen, qui faisait partie du territoire de Kostheim, exerçait la justice du sang sur Kostheim ; le maire et les échevins étaient responsables de la justice civile et de l'administration du village. Le tribunal siégeait, comme cela est attesté depuis 1330 environ, dans ou devant la cour des seigneurs de St. Stefan, dans la cour du couvent de l'Altmünster ou le long du mur de la cour de l'église ou devant le cimetière. En 1281, le nom d'un échevin, Heinrich, est mentionné pour la première fois. Le nombre d'échevins variait entre trois et treize, et un sceau du tribunal nous est parvenu en 1475. Le tribunal de Kostheim faisait parfois office de cour supérieure pour Kelkheim, Münster, Heidesheim, Budenheim et Hattersheim (1517).

Le territoire de Kostheim s'étendait sur la rive gauche du Main jusqu'à Ginsheim et sur la rive droite du Main jusqu'à Hochheim, Delkenheim, Erbenheim et Kastel. Jusqu'en 1528, Kostheim faisait partie des localités dont la souveraineté locale et judiciaire était partagée : St. Stephan de Mayence détenait la souveraineté locale, les seigneurs d'Eppstein, en tant que baillis, la souveraineté judiciaire. Lorsqu'en 1492, ils vendirent entre autres Kostheim aux landgraves de Hesse, ils se réservèrent le bailliage jusqu'à ce qu'ils le vendent à l'archevêque de Mayence en août 1528. La même année, un weistum réglemente les tâches de l'Ober- et Unterschultheißen, du Büttel, des Feldmesser, etc. Les devoirs du curé de St. Kilian et de son sonneur de cloche, qui était à la fois organiste et maître d'école, furent également décrits avec précision. L'école est mentionnée pour la première fois vers 1500. Kostheim est resté catholique sous la souveraineté de Mayence, même si la Réforme aura trouvé ses adeptes dans le village. En 1552, Kostheim fut incendié.

Kostheim a également connu des temps difficiles pendant la guerre de Trente Ans. Le village fut occupé par les Suédois, qui fondèrent Gustavsburg, un bastion fortement fortifié, sur la rive gauche du Main, dans la commune appartenant à Kostheim. Les champs sur la rive gauche du Main et sur la Maaraue furent définitivement perdus pour Kostheim, les habitants durent effectuer des corvées et souffrirent des charges de cantonnement. Kostheim souffrit encore longtemps des conséquences de la guerre ; en 1673, le village comptait 113 propriétés, dont certaines étaient "désertes et vides". Au total, on comptait 162 propriétaires.

Kostheim était déjà entouré d'un mur d'enceinte au Moyen-Âge, avec une porte supérieure sur la Bruchstraße et une porte inférieure sur le Main. Le tracé des rues Mathilden-, Margarethen- et Herrenstraße (où vivaient les seigneurs de St. Stefan) rappelle encore l'urbanisation médiévale. Les derniers maîtres élus chaque année étaient responsables de la sécurité des portes et des murs.

Au 15e siècle, Kostheim était un village riche, comme en témoigne un livre de comptes (Salbuch) dans lequel sont consignées les redevances féodales. Une grange au coin de la Herrenstraße et de la Burgstraße est le vestige de la ferme de la dîme. Au 18e siècle, l'agriculture et la viticulture prospèrent. En 1758, l'école fait l'objet d'éloges particuliers dans une statistique scolaire. Au 18ème siècle, l'administration était dirigée par un chef et un sous-chef d'école.

Cette période de paix et de prospérité prit fin avec les guerres napoléoniennes. Lorsque la France révolutionnaire occupa Mayence en 1792 et que les Français s'affrontèrent à Kastel et les Allemands à Hochheim, Kostheim devint une zone de combat. Bombardé à plusieurs reprises, il ne fut finalement qu'un champ de ruines, l'église paroissiale fut également détruite. En 1803, Kostheim et Kastel furent rattachés au district de Nassau-Usingen, puis revinrent à Mayence en 1806 et devinrent français. La limite de la commune entre Kostheim et Hochheim devint une frontière nationale. Après le Congrès de Vienne, Kostheim et Kastel furent rattachés au Grand-Duché de Hesse (province de Hesse rhénane, canton de Mayence). En 1835, Kostheim fit partie de la ville, en 1852 du district de Mayence. En 1806, la localité comptait 1.024 habitants.

En 1808, Napoléon accorda à Kostheim, à la demande du pasteur Rößler de Kostheim, 25 ans d'exemption d'impôts - une faveur qui incita en 1821 le pasteur Henrich à lire un office des âmes à la mémoire du défunt empereur des Français, en dépit de l'interdiction du souverain et du clergé. En 1809, le soi-disant Neudörfche fut construit après un grand incendie. Le village fut reconstruit ; en 1830, le "bourg" de Kostheim comptait déjà à nouveau 202 maisons et 1.272 habitants ; en 1836, la nouvelle église Kilianskirche fut inaugurée.

La structure économique initiale de Kostheim était marquée par l'agriculture, l'arboriculture et la viticulture, mais dès 1281, un batelier de Kostheim est mentionné et en 1662, le pêcheur Lorenz Rhein appartient à la corporation des pêcheurs de Mayence. Un moulin existait au plus tard depuis 1293. En raison de sa situation géographique favorable, à l'embouchure du Main dans le Rhin, et des ponts et bacs reliant Kostheim à la rive sud du Main depuis la préhistoire, Kostheim a toujours été un lieu de transbordement de marchandises et de biens en tout genre. Depuis le 16e siècle, le flottage du bois est devenu l'une des principales activités des habitants de Kostheim. En 1894, un traité d'État a défini la régulation du Bas-Main et l'extension du port de flottage de Kostheim. A l'origine, il y avait cinq scieries à Kostheim, dont trois avec des droits de flottage. L'industrie de transformation du bois de Kostheim employait environ 200 personnes jusqu'après la Seconde Guerre mondiale. Aujourd'hui, seule l'entreprise Peter Eider existe encore.

Dans les années 1860, la société MAN s'installa à Gustavsburg et devint l'une des principales entreprises de construction de ponts en Allemagne. L'usine de cellulose, ouverte le 01.06.1885, devint le principal employeur. L'usine d'allumettes de Kostheim (appelée "Streichhölzer" dans le langage populaire) a été construite en 1887 et employait environ 100 personnes, pour la plupart des femmes. La production a été arrêtée fin 1930. En 1926, la société Lindes Eismaschinen AG a créé une succursale à Kostheim, employant 250 personnes. En 1967, AEG a acquis 75 % des parts de la société Lindewerk de Kostheim. Un grand incendie en 1971 a détruit les entrepôts et les locaux de production. Après la reconstruction en 1989, la production se faisait sous le nom de Duofrost. En 2005, la vente des usines à la société Carrier GmbH et la délocalisation en République tchèque ont eu lieu.

La modernisation nécessaire de l'infrastructure a commencé avec l'ouverture du chemin de fer du Taunus sur la ligne Wiesbaden-Francfort en 1840. Kostheim a alors perdu les surfaces nécessaires à la construction du chemin de fer, sans avoir sa propre gare. Un pont fixe sur le Main a été construit en 1887/89. En 1907, la ville fut reliée au réseau de tramways de Mayence.

Suite également à l'essor économique, le nombre d'habitants augmenta à la fin du 19ème siècle, passant de 2.971 en 1875 à 4.832 en 1895. Kostheim s'étendit vers l'ouest vers 1900 sur la Winterstraße et en 1916 jusqu'à Am Mainzer Weg. De nombreux noms de rues rappellent cette époque : Wilhelm-, Viktoria-, Louisen-, Ludwigstraße. En 1875, la commune se dota d'une école de filles, en 1897, l'école de garçons fut agrandie. De nombreuses associations virent le jour. Dans les années 1870, de nouveaux bâtiments furent construits de l'autre côté de la Winterstraße et de la Berberichstraße. Depuis cette époque, Kostheim avait une communauté protestante, qui a obtenu sa propre église en 1906. Les habitants juifs, dont la présence à Kostheim est attestée depuis 1820 environ, ne formaient pas leur propre communauté, mais s'orientaient vers Kastel. Le 01.01.1913, Kostheim fut rattaché à la ville de Mayence. Toutefois, en 1927, le quartier de Gustavsburg en fut séparé. Après la Première Guerre mondiale, qui a vu Kostheim stationner des troupes d'occupation, le quartier "Siedlung Kostheim" a été créé en tant que cité-jardin avec de petites maisons individuelles construites en rangées pour 250 familles. Kostheim s'est développé en un village sans centre marquant et sans séparation claire entre les usines et les zones résidentielles.

Les entreprises industrielles comme MAN, Cellulose, Linde étaient déjà orientées avant 1936 vers les exigences militaires d'une guerre. MAN fabriquait des pièces de ponts et des coques de bateaux, la cellulose des matières premières pour la fabrication de munitions ainsi que pour les tissus d'uniformes, le kérosène et le matériel sanitaire. La Seconde Guerre mondiale a laissé des dégâts considérables sur les bâtiments de la cité et du vieux Kostheim. Ainsi, la rue Hochheimer Straße a été presque entièrement détruite. Les églises catholiques et l'actuel centre paroissial du lotissement ont été touchés par des bombes. On déplore 113 morts suite aux attaques aériennes. Après la Seconde Guerre mondiale, de nouvelles zones d'habitation ont vu le jour, comme le "Sampel", et de nouvelles industries se sont installées.

Le 25 juillet 1945, Kostheim fut rattaché à Wiesbaden. En 2003, il existait encore sept petites exploitations agricoles d'une superficie inférieure à deux hectares. Parallèlement, 13 exploitations à plein temps (la plupart en viticulture, 66 ha) ont vu le jour, exploitant au total 191 ha de terres. Aujourd'hui (au 01.01.2016), 14 076 personnes vivent à Kostheim dans 6 752 ménages.

Une particularité est le pèlerinage annuel de la commune de St. Kilian à Fischbach dans le Taunus. Selon des témoignages qui ne sont toutefois pas attestés par des documents, le pèlerinage aurait déjà eu lieu en 1444 pour se rendre à l'image miraculeuse de la chapelle de Gimbach. Le motif était probablement une grande famine. D'autres sources parlent de la période autour de 1666, une grande année de peste, au cours de laquelle Kostheim a été épargné par l'épidémie. En 1828, sur l'insistance du gouvernement ducal de Nassau, le pèlerinage a été transféré à l'église paroissiale de Fischbach. Aujourd'hui encore, les catholiques de la commune s'y rendent chaque année en pénitence.

En 1751, on a trouvé deux couteaux de vigne croisés gravés sur une borne datant de 1603. Sous la forme d'une pince d'argent sur fond rouge, l'image de la borne a été choisie pour devenir le blason de Kostheim.