In der Gemarkung von Großwinternheim haben, wie Siedlungsspuren fast aller frühgeschichtlichen Epochen belegen, schon früh Menschen gesiedelt. Der Ort dürfte eine Gründung des 6. oder 7. Jahrhunderts gewesen sein. In Schriftquellen taucht die "villa seu marca Winternheim ex fisco nostro" Ingelisheim erstmals im Jahr 937 auf. Damals gehörten Dorf und Gemarkung also bereits zu den Reichsdörfern des Ingelheimer Fiskus.

Der spätere Namenszusatz "Groß" diente zur Unterscheidung von Winternheim bei Nieder-Olm. Die Vogtei über das alte Reichsdorf war 1190 in der Hand Werners II. von Bolanden; der Ort selbst war vor 1257 Lehen des Gottfried von Eppstein, als König Richard von Cornwall den Rheingrafen Werner damit belehnte. Zwischen 1314 und 1366 geriet Großwinternheim in den Pfandbesitz des Mainzer Erzbischofs bzw. der Stadt Mainz (1356), fiel dann aber, wie die anderen Reichsdörfer des Ingelheimer Grundes, im Jahr 1372 als Pfandbesitz an den Pfalzgrafen bei Rhein in Heidelberg. Seit 1402 war der Ort dann bis zum Ende des Alten Reiches fester Bestandteil der Pfalzgrafschaft. [Zur weiteren Geschichte s. Ingelheim]

Im Jahr 1972 wurde Großwinternheim in die Stadt Ingelheim eingemeindet. Eine alte Schreibweise des Ortes lautet "Groß-Winternheim".