宋绍圣初年（1094年），苏东坡谪惠州时，经广州到南海神庙一游，作《南海浴日亭》诗，今浴日亭仍有苏东坡诗碑（复制）。
宋庆元四年（1198年）立碑记载，大奚岛民作乱（起义），于庆元三年（1197年）在南海神庙附近洋面被官军击败，官府认为是海神显圣，保佑社稷，遂报京师表彰海神，礼部状拟赐庙额，奉勅：“宜赐‘英护庙’为额。”
宋宝庆元年（1225年），大规模重修南海神庙，耗钱600余万。据碑文记载，这次维修的大部分资金来自海上贸易之利。
元至元十三年（1276年），派遣速古儿赤等于四月十八日为南海神庙建醮，并赐以宝香锦幡银盒楮币诣词，《至元丙子碑》记此事。至元三十年（1293年），因庙已废，重建之。
明洪武二年（1369年）初，由于元末连年战火纷乱，神庙香火稀少，不少殿宇废坏，海神难以居住，命中书椽高希贤等修神庙，换掉腐朽的木柱和破碎砖瓦，重新整治殿堂、廊庑、斋堂等。
明成化八年（1472年），因南海神庙年久失修，残破不堪，命广州府判余志重修神庙。此次维修是神庙在明代最大的一次维修。
清康熙四年（1665年），重修南海神庙，平南王尚可喜等立《重修南海神庙题名碑记》。康熙四十二年（1703年），康熙御笔亲书“万里波澄”四字，并制成巨匾，派户部右侍郎范承烈将御匾专程护送到南海神庙，并专门立碑纪事。
清雍正三年（1725年），复修殿宇，前立石表，为望之所，南为仪门，中为神祠，西为斋宿所，东为厨库牲房。
清道光二十九年（1849年），因庙宇年久失修，非常破败，于是进行较大规模的维修，鼎新庙宇。
清宣统二年（1910年），重修神庙，建韩愈碑亭。
中华民国十二年（1923年）5月26日，孙中山和夫人宋庆龄一行专程参观游览了南海神庙。
中华民国十五年（1926年），国民政府拨毫银1万元重修南海神庙，并组织重修南海神庙委员会负责维修工作。其后陈济棠主粤期间，由陈夫人莫秀英主持修建工程，将礼亭、后殿改建为水泥砖构架五开间硬山顶建筑，工程较粗。
1966年1月，广州市文物管理委员会将南海神庙交给广州海运局开办学校和波罗庙航修站。
1966年底～1976年，“文化大革命”期间，南海神庙大殿被毁，后殿改建，东西两廊被改建为课堂，不少古碑刻被推倒，原万里波澄碑刻及碑亭等被拆毁，庙内神像全部被砸毁。
1986年，广州市文物部门依明、清规划重修南海神庙，历时五载。
1991年2月8日，广州市文管会、市文化局举行南海神庙复原落成典礼；次日，联合国教科文组织“海上丝绸之路”考察队30多国专家即到南海神庙考察。
2006年，瑞典的仿古船“哥德堡号”重走海上丝绸之路，瑞典国王、王后随船抵达广州，并访问南海神庙观摩祭海仪式。
