Do latim Portu Magnu 'Porto Largo', que deve ter designado o espaço aquático (como o Portus Magnus de Alexandria), constituído pelo amplo estuário do rio Arade, e também o eventual assentamento portuário. Há vários topónimos homónimos no Império Romano, nomeadamente na Mauretania Caesariensis (Bettioua, Argélia) e na Hispania Terraconensis (na zona de Almeria, Espanha). 

Segundo o arabista David Lopes, o topónimo português atual tem como étimo direto a forma arabizada Bortmán, à semelhança da espanhola Porman (entre o Cabo de Palos e Cartagena), que em al-Idrisi se chama Bortmán(e) alcabir. Nesse sentido, o autor considera que a vogal i teria sido intercalada para facilitar a pronúncia do topónimo Nomesárabes_Lopes, p. 172. A variação vocálica é, todavia, um fenómeno frequente no árabe andalusi, pelo que é mais provável que o étimo próximo fosse Burtimún (< moçár. *Portuman), a atestação árabe mais antiga do topónimo (séc. XI),  confirmada pela latinizada Portimunt (séc. XII) IberAlg. A forma atual Portimão advém da uniformização das vogais nasais finais -ã e -õ no ditongo -ão no português médio.