Compte tenu des phénomènes géologiques à des époques reculées, le Val di Chiana commença à se soulever dans sa partie médiane et, suite aux dépôts d’alluvions, se sépara en deux parties, l’une orientée vers l’Arno, l’autre vers le Tibre.
Tour à tour, des phénomènes géologiques et volcaniques (en raison de la relative proximité du volcan Amiata, aujourd’hui éteint) provoquèrent la déviation de l'Arno vers l’ouest. C’est pourquoi le bassin fut occupé par le fleuve appelé par la suite, Clanis, par les Romains, un torrent qui prend sa source dans les montagnes aux alentours de l’actuelle Castiglion Fiorentino pour ensuite rejoindre le fleuve Paglia, affluent du Tibre.
Des témoignages de premiers peuplements humains dans le Val di Chiana sont donnés par des vestiges archéologiques de l’époque préhistorique et protohistorique. Le plus important est le crâne d’Olmio auquel on a donné le nom de la localité de la commune d’Arezzo où il a été trouvé en 1863. Il consiste en une boîte crânienne ayant appartenu à un homo sapiens vivant au milieu du Pléistocène. Il faut ajouter les restes d’outils trouvés également dans la zone d’Arezzo près des torrents Castro et Vingone et datés du mésolithique.
Après que, à l’époque villanovienne, le peuplement du Val di Chiana eut subi un très net accroissement de population, l’arrivée des Étrusques changea notablement la situation de la vallée. La zone connut alors une grande prospérité grâce aux techniques agricoles efficaces apportées par les Étrusques et par l’intense activité commerciale avec les régions limitrophes. L’influence des monarques (ou lucumon) d’Arezzo, de Cortone et de Chiusi permit des cultures systématiques de céréales, plus particulièrement de blé, très apprécié par les Étrusques. De plus, le tirant d’eau important du Clanis permit aux Étrusques de naviguer sur de petits bateaux et de faire le commerce de produits alimentaires, de produits manufacturés et aussi, tout simplement, le transport des hommes et des animaux. Les Étrusques créèrent des petits ports le long du Clanis. L’exemple le plus éloquent est donné par Brolio, aujourd’hui un hameau peu peuplé sur la commune de Castiglion Fiorentino mais, à l’époque, florissante cité étrusque : en 1863 y furent retrouvés de nombreux bronzes étrusques, religieux ou non, relatifs à diverses époques comprises entre le VIIe et Ve siècles avant J-C.
En tout cas la splendeur et l'importance du Val di Chiana pendant la période étrusque sont attestées également par les innombrables vestiges archéologiques trouvés dans la vallée et notamment à Cortona. Ici, comme également en d’autres endroits du Val di Chiana , ont été ramenés à la lumière des objets de grande valeur, comme le célèbre Lampadaire en bronze (IVe siècle avant J-C), des petites statues, de la vaisselle, des objets d’orfèvrerie et des outils divers.
Il s'agit généralement d’objets retrouvés dans des nécropoles (comme la célèbre nécropole du Sodo sur la commune de Cortona) ou de ruines d'anciens centres étrusques (comme à Melmone di Brolio où ont été retrouvées les traces des anciennes fondations d’habitations).
La défaite de Véies et l’occupation progressive de l’Étrurie par la République de Rome qui se termina par la défaite étrusque à Sentino (295 a.C.), permirent aux romains d’entrer dans le Val di Chiana. La présence romaine en Val di Chiana est documentée depuis le IIIe siècle a.C. et par les vestiges de l’époque. À Arezzo, se trouve, conservé en excellent état, le très bel amphithéâtre romain, alors qu'à Brolio ont été retrouvés un petit génie votif et même des grosses plaques d'argile avec, dessus, le "poisson stylisé" employé comme marque de reconnaissance pendant l’époque paléochrétienne des premiers adeptes du culte de Christ se trouvant en Italie. En outre des exemples de toponymie locale prouvent clairement leur origine romaine. On pense à la localité de Castroncello (sur la commune de Castiglion Fiorentino), dont le nom dérive clairement du latin castrum, en mettant en évidence la présence d'un campement romain. On considère aussi les deux agglomérations de Lucignano (dont le nom dérive, avec beaucoup de probabilité, d'un castrum Lucinianum, ainsi appelé en honneur du consul Lucio Licinio Lucullo qui avait occupé la zone au Ier siècle a.C. pendant la guerre entre Silla et Gneo Papirio Carbone) et Marciano della Chiana (dérivé du nom de la gens Marcia, famille patricienne et possédant à et endroit un fundus).
Les romains non plus ne renoncèrent pas aux ressources du Val di Chiana. Le géographe grec Strabon et les historiens romains Pline l'Ancien et Tacite ont décrit le Val di Chiana comme le "grenier de l'Etrurie". En particulier, Tacite rappelle comment, pendant la Seconde guerre punique, l'expédition de Publio Cornelio Scipione (202 a.C.) avait pu compter sur au moins 10000 quintaux de grain provenant de l'"opulente arva" (riches champs) du Val di Chiana.
En outre la position stratégique du Val di Chiana, au carrefour des importants centres de Florentia (l’actuelle Florence), d'Arretium (l'actuelle Arezzo), de Cortona, de Clusium (aujourd'hui Chiusi) et, enfin,Rome, consuisit les romains à y faire passer la via Cassia, réalisée par le consul Cassio Longino au Ier siècle après JC d.C.
Toutefois la venue au pouvoir d'Auguste changea considérablement la vision du Val di Chiana auprès des centres du pouvoir romain. Les nombreuses crues de la Paglia, affluent du Tibre (lesquelles se reproduisaient souvent, inondant l’Urbs) conduisirent les hydrauliciens romains à en retenir la cause principale : le Clanis, fleuve d’un exceptionnel tirant d’eau, et donc, selon leur façon de voir, à construire un barrage près de l’embouchure de la Poglia.
Ceci fut réalisé durant le Ier siècle après JC, en apportant des nuisances inévitables au Val di Chiana : le Clanis en effet, ne pouvant plus décharger ses eaux sur la Poglia, finit par rompre les digues, en se transformant, en peu de temps, en un lac. L'eau, en ne pouvant plus s’écouler, stagna sur de vastes espaces du Val di Chiana, qui, rapidement, se transformèrent en un marécage malsain.
De la Valdichiana, cette région malsaine au Moyen-Age, on en entend parler dans les documents écrits de l’époque. Il faut préciser que la presque totalité de la migration (si elle eut jamais lieu) de la population des plaines aux centres des sites dans les collines ne se produisit pas avant le XIe siècle. On a en effet des témoignages, spécialement dans les documents épiscopaux du temps, de pievi disséminés dans le territoire du Val di Chiana, même dans les zones plates. On rappelle ensuite que Charlemagne devant se déplacer au cours de l’hiver de 786 de Rome à Florence, emprunta la via Cassia et donc le Val di Chiana. Il est donc concevable qui le dépeuplement ait eu lieu après l’an 1000, toute possibilité d’installation, de culture ou d’exploitation du sol étant rendue impossible.
Les dimensions du marécage devinrent considérables et Leonard de Vinci, dans une carte qu’il réalisa à la fin du XVe siècle, nous montre au centre du Val di Chiana un vaste territoire submergé par les eaux, entouré de collines sur lesquelles se trouvaient justement les habitants. Les eaux putride et stagnantes, souvent dangereuses pour qui devait les traverser (on raconte que la jeune Sainte Margherita de Cortona, actuelle patronne de la ville, au cours d’une escapade nocturne avec son amant Arsenio Del Pecora de son village natal Laviano jusqu’à Montepulciano, dont Arsenio était le seigneur, risqua la noyade après que le bateau se fut renversé) apportèrent le moustique anophèle et, en conséquence, la malaria. La maladie a exterminé la population locale pendant des siècles, spécialement durant les périodes chaudes et humides. C’est ainsi que restent célèbres les mots de Dante dans les vers 46-47 du chant XXIX de l’Enfer : «Qual dolor fora, se de li spedali / di Valdichiana tra 'l luglio e 'l settembre». Et le même auteur se rappelle les eaux stagnantes de la Chiana dans le vers 23 du chant XIII du Paradis, où il décrit le lent "mòver de la Chiana".
Les agglomérations locales, mises à dure épreuve par le marécage, organisèrent pour assurer les liaisons de véritables ports sur ces eaux recouvertes de joncs et de roseaux, comme on le déduit de la statuaire de Cortona de 1325, qui représentait "trois bateaux nouveaux pour les ports de Fasciano, de Foiano et de Creti". On a en outre des témoignages de ports comme Cignano et Farneta (toujours dans la région de Corona), à Bettolle (dans la commune de Sinalunga) et à Cesa (dans la commune de Marciano della Chiana). Et puis, la toponymie actuelle rappelle le vaste acquitrinio : sont éloquentes les deux zones de Castiglion Fiorentino qui portent le nom de Rivaio et de Spiaggina, pendant que dans la même commune on trouve la localité de Nave et le Melmone (zone de la localité de Brolio
La situation dramatique fut encore accentuée par la peste noire qui n’épargna pas le Val di Chiana en 1348.
Par contre, de toute façon, les agglomérations existantes déjà à l’époque étrusque, romaine et lombarde, connurent une importance considérable, surtout au niveau stratégique, dans une zone qui continuait à susciter l’intérêt des puissantes villes de Florence, d'Arezzo, de Sienne et de Pérouse. La conséquence de la conquête d'Arezzo par Florence et de la soumission de Pérouse à l'État pontifical fut que, seules les villes de Giglio et sa rivale, Sienne, restaient en lice pour tenter d'occuper définitivement la zone. Le tournant eut lieu en 1544, quand les Sennois (qui contrôlaient déjà les régions actuelles du Val di Chiana siennois, plus la place forte de Lucignano), commandés par le Florentin, mais néanmoins hostile à Cosme I de Médicis, Piero Trozzi, envahirent le Val di Chiana, détruisirent Foiano et occupèrent Castiglion Fiorentino et Marciano. Pour toute riposte, les Florentins, commandés par le marquis de Marignano, dit il Medichino, délivrèrent Marciano et, de là, commencèrent leur contre offensive au cours de la célèbre bataille de Scannagallo, ou de Marciano (2 août 1554).
A partir de ce moment, le Val di Chiana fut définitivement sous la domination florentine, les Médicis d’abord, puis les Lorena desquels est issu le Grand duc de Toscane.
Longtemps, le gouvernement de Florence, conscient de la potentielle richesse du Val di Chiana, chercha à assainir le marécage en faisant intervenir d’éminents ingénieurs comme Galileo Galilei, Evangelista Torricelli et Vincenzo Viviani : mais toutes les tentatives se soldèrent seulement par une dépense considérable, sans apporter une quelconque amélioration durable. A la vérité, de tels plans présentaient tous un point commun : avec chacun d’eux, on cherchait à aller à l’encontre des lois de la nature c'est-à-dire l’écoulement normal des eaux d’autant plus que le gouvernement de Florence avait fermement interdit de rejeter les eaux du Chiana dans l’Arno car, selon Florence, cela aurait provoqué des vagues de crues du fleuve entraînant des inondations pour la ville.
Cependant, un ingénieur, le comte Vittorio Fossombroni, doté de compétences exceptionnelles en hydraulique, arriva à montrer la fausseté de semblables hypothèses. Chargé en 1788 par le Grand Duc Léopold I de Lorena de reprendre les travaux, Fossombroni conçut un système relativement simple, capable de fournir des résultats excellents : "l’assainissement par le comblement". Il consiste principalement de permettre aux eaux fluviales de stagner dans les zones marécageuses, en laissant sédimenter les détritus alluviaux dont elles sont riches et, de ce fait, "de combler" les susdites aires. Après avoir déposé les détritus, les eaux sont évacuées par des canaux artificiels. L'écoulement est facilité d'autre part par le fait que les sédiments permettent à la plane une surélévation progressive, en reversant ainsi les eaux dans des bassins fluviaux plus proches.
Ce fut pour cette raison que fut construit le Canale Maestro della Chiana en reprenant presque entièrement l'ancien cours du Clanis. Le Val di Chiana a pu s’élever en reversant les eaux des nombreux torrents qui l'envasaient dans le Canal qui, à son tour, les redirigeait vers l’Arno. Un tel système n’a eu aucune conséquence sur le cours du grand fleuve toscan ni sur la ville de Florence : en effet, la crue de l’Arno de 1966 ne fut pas causée par les eaux venant du Val di Chiana.
Le Val di Chiana est aujourd’hui bien endigué, la digue la plus célèbre (et la plus imposante) se trouvant à Brolio sur la commune de Castiglion Fiorentino.
Le projet de Fossombroni, qui, à l'époque, trouva des exécuteurs efficaces comme Federico Capei de Lucignano et les ingénieurs qui lui succédèrent, Alexandre Manetti (en 1838) et Carlo Possenti (en 1860), a porté ses fruits au terme de peu d’années. Giovan Battista Del Corto rappelle dans son Histoire du Valdichiena comment Fossombroni, en prenant sa retraite en 1828, avait pu admirer avec satisfaction les progrès du travail effectué et « signalait dans l’atmosphère purifiée la première apparition des martinets à Foiano et ailleurs ».
En effet, en très peu d’années, le paysage changea complètement. La vallée s'assécha, le terrain redevint fertile et cultivable, la malaria disparut et les habitants purent de nouveau habiter la plaine avec l’appui des communes et du gouvernement florentin qui, se souvenant de la grande richesse agricole à l’époque étrusque et romaine, voulaient revenir à ces grands rendements pour satisfaire les besoins alimentaires.
Le succès de l’assainissement pour endiguer le Val di Chiana fut source d’inspiration pour d’autres ingénieurs, Manetti, le premier d’entre tous, qui travailla ensuite à l’assainissement des vastes étendues de Maremma.
La Campagne d'Italie, menée par Napoléon en 1796, eut pour conséquence l'occupation française des états pré-unitaires, le grand-duché de Toscane inclus. En Val di Chiana, à ce moment-là, les travaux d’assainissement battaient leur plein et les Français ne s’y opposèrent pas. Napoléon fut fortement frappé par le talent de Fossombroni, au point qu’il s’exclama : "Quel malheur ! Un si grand ministre pour un si petit État!".
En 1799, le Val di Chiana fut au centre d’un mouvement anti-français nommé Viva Maria qui, pendant un temps très bref, libéra les habitants de l’Aretin et atteignit même Sienne.
L'histoire rappelle comment les Français, après leur victoire à Marengo (14 juin 1800), prirent le contrôle de l'Italie jusqu'en 1814. A la Restauration, le Grand-duché de Toscane fut reconstitué et les travaux d’assainissement du Val di Chiana s’achevèrent. La qualité de vie des habitants du Val di Chiana s’améliora progressivement et ils participèrent en masse au plébiscite par lequel, le 15 mars 1860, la Toscane fut annexée au royaume de Sardaigne et ensuite au royaume d'Italie.
Les années qui ont suivi l’Unité italienne ont vu une amélioration constante de la vie des habitants du Val di Chiana. Les terres, de nouveau fertiles, furent intensément cultivées ou dédiées à l’élevage, selon les conditions du métayage. Ceci permit l’afflux de nombreux paysans venant de la périphérie et la vallée se repeupla en l’espace de quelques décennies.
Après avoir connu une brève période de brigandage (ce qui était plutôt habituel dans les campagnes italiennes d’alors), pendant lequel s’affirma la renommée du bandit local Gnicche, le Val di Chiana s’engagea définitivement vers la normalité.
Celle-ci cependant fut bouleversée par le passage du front lors de la Seconde Guerre Mondiale. Aux nombreux militaires provenant du Val di Chiana, tombés dans les batailles auxquelles prirent part les divisions italiennes, et aux étrangers morts localement lors des échanges de coups de feu entre les Allemands et les alliés (à Foiano della Chiana il y aujourd’hui un cimetière militaire anglais), il faut ajouter les innombrables victimes civiles parmi lesquelles on retient surtout les "Martyrs de Civitella". Cet épisode, un des plus tragiques de l'histoire italienne, eut lieu le 29 juin 1944, lorsque les soldats allemands de la division "Hermann Göring", en garnison dans la ville, massacrèrent 266 civils suite au meurtre de deux autres soldats par des partisans. Les destructions furent si nombreuses (toujours à Civitella un bombardement allié détruisit à peu près complètement l'ancienne rocca longobarda dans laquelle s’étaient réfugiés quelques allemands) qu'elles rendirent très difficile la reprise de l'après-guerre.
En effet, une fois la guerre terminée, presque tous les centres du Val di Chiana subirent un dépeuplement qui n'a pris fin qu'avec le "boom économique" des années 60. Il s’ensuivit une phase d’accroissement démographique notable.