Saco do Martinho era uma fazenda de criação de gado, de propriedade do tenente-coronel Martinho da Costa Agra, que construiu, em sua fazenda, uma capela dedicada a Nossa Senhora de Santana, dando origem ao povoado. A história da cidade está intimamente ligada ao ciclo da pecuária.
Em 25 de maio de 1870, foi elevada a distrito, passando a chamar-se Santana do Saco. Neste município, surgiu a Freguesia da Leopoldina, que, desmembrada de Santana do Saco, foi elevada a município em 1 de julho de 1909. Em 31 de dezembro de 1943, a Freguesia da Leopoldina passou a chamar-se Parnamirim.