L'histoire de la ville remonte à l’époque étrusque, dont la civilisation fleurit dans l'Italie centrale entre 800 av. J.-C. et 200 av. J.-C. Orvieto, appelée Velzna par les Étrusques, était une des douze villes les plus importantes faisant partie de la dodécapole étrusque. En effet, les Étrusques ne constituèrent jamais un État unique, comme cela fut le cas des Romains, mais chaque ville était presque indépendante et, souvent, en conflit avec les autres. Orvieto fut ensuite conquise par les Romains qui déportèrent tous ses habitants dans l’actuelle Bolsena. Le nom latin d’Orvieto était Volsinii, et il est à l’origine du mot Bolsena, la nouvelle patrie des déportés. Ceux-ci, en parlant de leur ancienne demeure, l’appelaient « la vieille ville », Urbs Vetus en latin, un nom qui, suite aux évolutions phonétiques séculaires, est devenu « Orvieto ».
Au Moyen Âge, Orvieto vécut une période de splendeur autour du XIV siècle, quand elle était une commune libre et que son influence s’étendait jusqu’à la mer Tyrrhénienne, en rivalité avec Sienne. Ensuite, à la moitié du XV siècle, la ville fut annexée par les États pontificaux, et en suivit l’histoire. Les papes choisirent la ville pour y séjourner de temps en temps, quand ils n’étaient pas à Rome.
En 1860, Orvieto, tout comme le reste de l’Ombrie et les Marches, fut libérée par l’armée piémontaise et annexée au nouveau Royaume d'Italie. Pendant la Seconde Guerre mondiale, Orvieto subit les bombardements anglo-américains, dont la cible était le chemin de fer reliant Rome à Florence et au nord de l'Italie. Toutefois, la ville historique, située au sommet d’un massif rocheux, fut épargnée en raison de son immense valeur historique et artistique.
