Le due alture su cui sorge il paese attuale (Montecelio e Monte Albano) furono occupate in epoca protostorica e arcaica (secc. X-V a. C.) da un centro urbano tradizionalmente identificato con la città latina di Corniculum, che cessò di esistere dopo essere stata sottomessa da Roma. Di questo insediamento, cancellato dalle costruzioni medioevali e moderne, restano tracce significative documentate nel locale Antiquarium (via Monte Albano, 5), che custodisce anche interessanti reperti archeologici provenienti dal territorio comunale e dai dintorni, raccolti dalla locale sezione del Gruppo Archeologico Latino sez. Cornicolana.
Durante l'età romana sulle pendici dei colli sorsero varie ville rustiche e sulla vetta più elevata (m. 389) venne costruito un tempietto in opera laterizia su podio di travertino.
Intorno all'anno Mille tale sommità per il suo valore strategico fu prescelta per la fondazione di un castello, il Castrum Monticellorum, e di nuovo circondata di mura che ricalcavano il perimetro di quelle protostoriche. All'interno del recinto venne innalzata una imponente fortezza quadrangolare, oggi quasi completamente crollata, nella quale fu imprigionato e ucciso l'abate di Subiaco, Pietro, che si era opposto alle mire espansionistiche dei signori di Monticelli. 
Agli inizi del secolo successivo anche l'altra collina ospitò un centro fortificato, il Castrum Montis Albani, che dopo molte vicende venne unito nel 1436 al più importante feudo di Monticelli e in pochi anni si spopolò del tutto.
Nel 1145 la Rocca diede rifugio a papa Eugenio III in fuga da Roma a Farfa con la corte pontificia; successivamente si schierò invece con l'imperatore Federico II contro papa Gregorio IX (1241)
Appartenne poi a varie famiglie nobili (Capocci, Orsini, Anguillara) per divenire dal 1445 presidio della Chiesa sotto i cardinali governatori d'Estouteville, Balva, Orsini, Della Rovere.
Nel 1550, diminuita la sua importanza strategica, Monticelli fu acquistato dai Cesi che lo tennero fino al 1678. Sotto la loro signoria vi fu un notevole incremento demografico, il paese si ampliò, vide sorgere nuovi edifici (Palazzo Cesi, Arco di S. Maria in piazza S. Giovanni) e abbellire le chiese esistenti (S. Lorenzo, S. Antonino, S. Antonio, S. Maria). Ma fu nel secolo seguente, sotto i Borghese, che la Comunità intraprese i lavori più impegnativi con la costruzione della nuova grande chiesa di S. Giovanni (dedicata nel 1710), sorta sul luogo di una più antica. Nello stesso tempo sulle rovine dell'abbandonato Monte Albano veniva edificato il vasto complesso francescano di S. Michele Arcangelo, abitato dai frati sino al 1873.
Con l'unione allo Stato italiano il paese cambiò il suo nome in Montecelio (1871). Durante la prima guerra mondiale nella pianura confinante con l'Agro Romano fu creato uno tra i primi ‘campi di volo’ ove furono addestrati al pilotaggio molti eroi della prima guerra mondiale.   Inoltre, in seguito, ospito  il Centro Studi ed Esperienze. Intorno ad esso si sviluppò a partire dal 1935 Guidonia, la nuova "città dell'aria", che nel 1937 divenne centro di un Comune molto più vasto dell'antico , quello di Guidonia-Montecelio.