Forse villaggio di origini etrusche come documentano alcuni reperti archeologici, Castellina fu castello signorile, documentato dal 1276, facente parte della pieve di San Giovanni di Camajano (Castelnuovo della Misericordia).

Il castello fu venduto alla Repubblica di Pisa da Ildebrandono di Sovana. Nel 1406 si sottomise a Firenze con il resto della campagna pisana. Il marchesato della Castellina fu eretto il 17 marzo 1628 a favore del senatore Lorenzo di Raffaello de’ Medici, membro di un ramo collaterale dei granduchi, già governatore di Livorno. Estintasi nel 1715 la linea diretta con Antonio, l’infeudazione fu rinnovata nel 1738 a favore del discendente Francesco Maria (-1741). La potestà feudale era esercitata tramite un commissario che esercitò giurisdizione baronale fino alla legge sull’abolizione dei feudi. Dal 1730 con Francesco Giuseppe, sesto marchese, la famiglia aggiunse il cognome dei Tornaquinci (Medici Tornaquinci della Castellina). Gli successero Vincenzo (1736-51), e il cav. Francesco Aldobrando (-1824) che nel 1768 prestò giuramento a Pietro Leopoldo. L’estensione del feudo andava dal fiume Fine fino a Monte Vaso con il centro di Pomaia con la tenuta del Terriccio e la Val di Perga. Il feudo comprendeva anche la tenuta del Terriccio, allivellata ai Gaetani di Pisa. Fu feudo fino al 1770.

Nel 1860, dopo il plebiscito indetto da Bettino Ricasoli in tutta la Toscana, venne annesso al Regno di Sardegna che, nel 1861, diventerà Regno d’Italia. Storicamente ebbe attività eminentemente agricole con la produzione soprattutto di cereali, impoverendo gran parte del suo territorio ricco di foreste di cerri e boschi. All’inizio del XIX secolo fu aperta una cava di alabastro.

Il 2 maggio 1918 il dirigibile U-5 che stava facendo ritorno all’Aeroscalo di Pontedera dopo un pattugliamento marittimo tra Punta Troia (oggi Punta Ala), l’Isola d’Elba e la Corsica, precipitò a terra in località Valdiperga. Nell’incidente morirono tutti e cinque i membri dell’equipaggio: il comandante tenente Federico Fenu, i sottotenenti Enrico Magistris e Luigi Carta Satta appartenenti al Regio Esercito, il sottocapo telegrafista Michele Rosato e il sottocapo motorista Tommaso Perrone, entrambi della Regia Marina. Esiste ancora oggi un cippo funerario a ricordo dei caduti nel luogo del disastro aereo ed una lapide sul palazzo municipale.

Lo stemma è stato riconosciuto con DPCM del 3 agosto 1952.

Il gonfalone, concesso con DPR del 6 ottobre 1953, è un drappo partito di azzurro e di giallo.