La zona fu abitata dagli Umbro-Sabelli, dagli Etruschi, dai Galli, dai Romani.

L’abitato sorge sopra un agglomerato roccioso,Mons Feretri o Feretrius, da dove deriverebbe il nome di Montefeltro e dove sorgeva il tempio dedicato a Giove Feretrio, al quale, il console romano Marcello, donò le armi del re dei Galli, Virdumaro, vinto nel 220 a.C.

Per la tradizione il tempio sorgeva nell’attuale sito del Duomo.

Però, secondo recenti studi, il nome Montefeltro deriverebbe dalle parole sabelliche “Fell-eter” cioè “Monte Pecoraro”

All’inizio del sec. IV, San Leone Dalmata (compagno di San Marino) evangelizzò il paese.

Nel 360 morì San Leo che fu sepolto in un sarcofago, il cui coperchio si conserva nel

Duomo, mentre nel suo luogo di preghiera fu eretta la Pieve.

Nel 538 fu possesso di Vitige, re dei Goti ed in seguito di Belisario.

Nel 541 fu di nuovo possesso dei Goti con Totila, ma fu riconquistata da Narsete ed in seguito dai Longobardi.

Nell’885 fu del duca Orso che cedette alla Pieve il “ciborio”.

Intorno all’anno mille fu di Berengario II, marchese d’Ivrea, che vi stabilì l’esercito a difesa del re d’Italia contro l’imperatore tedesco Ottone I, fu sconfitto nel 963 e imprigionato nella fortezza, quindi l’imperatore restituì San Leo alla Chiesa.

Nel 1014 l’imperatore Enrico II tentò di portare il corpo del Santo in Germania ma (secondo la leggenda) i cavalli si impennarono e dovette lasciare il corpo vicino Ferrara, a San Leo di Voghenza.

Nel 1155 (sotto Federico Barbarossa) fu possesso di un componente della famiglia dei Carpegna tale Montefeltrano, capostipite dei Montefeltro, che fu a capo di Rimini, Pesaro e Urbino.
Fece costruire il Duomo ed i suoi figli trasferirono la sede della corte ad Urbino, per volere di Federico II di Svevia, nel 1234.

Nel 1213 si soggiornò San Francesco che ricevette in dono, dal conte Orlando di Chiusi, il Monte della Verna.

Nel luogo dove passò la notte (7-8 maggio) con frate Leone, nel 1244 sorse il convento di S. Igne, con chiesa del trecento e chiostro del duecento con colonnine esagonali.

Nel 1284-1286 diventò repubblica, quindi fu possesso dei conti Guido e Nerio di Petrella (o della Faggiola).

Nel 1359 nuovamente dei Montefeltro (con Nolfo), quindi dominio della Chiesa con il cardinale di Albornoz.

In seguito fu possesso dei Malatesta e nel 1441 riconquistata da Federico III di Montefeltro e nel 1508 passò a Francesco Maria I Della Rovere.

Nel 1502, per due volte, Cesare Borgia se ne impadronì invano.

Nel 1516 fu conquistata da Lorenzo de’ Medici, nominato duca di Urbino e conte di Montefeltro da papa Leone X.

Nel 1526 fu restituita ai Della Rovere dalla Repubblica Fiorentina, nel periodo di papa Clemente VII.

Nel 1631, con l’estinzione della dinastia dei Della Rovere, tornò alla Chiesa fino al 1860.

Il Palazzo Municipale fu residenza dei conti di Montefeltro e dei duchi di Urbino e di fronte sorge il Palazzo Severini (Nardini) dove, nel 1213, fu ospitato San Francesco.

Nel Palazzo Mediceo ha sede il Museo d’Arte Sacra e Pinacoteca, mentre nel Palazzo della Compagnia ha sede il Museo della città.

La Pieve (o Basilica) è una costruzione rustica preromanica in conci di pietra eretta (forse) nel sec. IX, a pianta basilicale a tre navate e dove si conserva il “Ciborio”.

Vicino sorge il Duomo in stile romanico eretto sopra i ruderi del tempio di Giove Feretrio nel 1173, in pietra arenaria, con interno a tre navate, conserva il coperchio in pietra del sarcofago di San Leo.

Il Forte di San Leo (o Rocca di San Leo) di origini medievali, fu restaurato e ampliato, per volere di Federico III di Montefeltro, da Francesco di Giorgio Martini con l’aggiunta di due torrioni cilindrici, cortina muraria e zona residenziale.

Nel 1795, nella cella murata (pozzetto o cella del tesoro) vi morì Giuseppe Balsamo di Palermo, noto come “Conte di Cagliostro”.

Nel Forte ha sede il Museo Civico della Fortezza.