L'uomo fece la sua comparsa nell'attuale territorio comunale già nel neolitico, anche se le prime tracce archeologiche certe risalgono al periodo etrusco (Terme del Bagnone vicino a Sasso Pisano) e poi romano.  Comunque la nascita dell'abitato di Castelnuovo  è sicuramente alto medioevale, come tutti i borghi e castelli della zona, forse successiva ad un primo insediamento longobardo situato nelle sue immediate vicinanze, poi decaduto rapidamente (da qui il toponimo di Castro nuovo).  Le prime fonti storiche attendibili, risalenti ai  primi secoli del mille, ci danno comunque un borgo dominato da signorotti di origine longobarda (i Lambardi), fintanto che questi non si sottomisero, nel 1210, al Comune di Volterra.

Il borgo di Castelnuovo in un'illustrazione del XVIII secolo

Castelnuovo ebbe nello stesso secolo, grazie alle risorse minerarie presenti in abbondanza del territorio, un forte sviluppo economico, che lo portò ad essere tra i maggiori centri del contado volterrano, ma anche uno tra i più gravati da imposte. Nel 1447, come altri comuni della zona, subì l'invasione dell'esercito di Alfonso di Aragona, ed al suo ritiro, l'anno successivo, rimase occupato dal senese Antonio Petrucci. Con l'aiuto dei fiorentini, lo stesso anno, i volterrani riconquistarono il castello. Divenne poi feudo granducale nel 1639, e fu concesso in marchesato a Luca degli Albizzi ed ai suoi discendenti. Da allora le sue vicende storiche coincisero con quelle del Granducato di Toscana, fino all'annessione (parentesi napoleonica a parte) al Regno di Italia avvenuta nel 1860.