Nei primi anni del Novecento sono state rinvenute tombe risalenti al periodo eneolitico (3000-2000 a.C.), contenenti principalmente asce, pugnali di rame, punte di freccia che dimostrano come il territorio fosse abitato già in età preistorica. I reperti sono conservati al Museo Guarnacci della vicina Volterra.

Il toponimo Guardistallo è attestato per la prima volta nel 1144 e deriva dalle parole germaniche warda (guardia) e stall (luogo) con il probabile significato di luogo di guardia.

Il territorio della comunità di Guardistallo viene menzionato in un documento del 1155: Gherardo e Ranieri, figli del conte Gherardo della Gherardesca, offrono una parte dei loro beni situati nel castello di Guardistallo al vescovo di Volterra Galgano. Le vicende del piccolo borgo di Guardistallo sorto intorno al castello dei Della Gherardesca seguono per alcuni secoli lo stesso destino delle comunità vicine: Bibbona, Riparbella, Casale Marittimo e Montescudaio, anch’esse controllate per conto della Repubblica Pisana dalla famiglia comitale pisana dei della Gherardesca.

Nel 1406, con la caduta della Repubblica Pisana, anche Guardistallo finisce sotto il dominio fiorentino e giurà fedeltà a Firenze.

Nel 1648 il granduca di Toscana Ferdinando II concede Guardistallo e Casale Marittimo al nobile fiorentino Ferdinando Ridolfi, incaricato di ricostituire l’antico feudo di Montescudaio che diventa un marchesato.

Nel 1739 il granduca di Toscana Francesco II appartenente agli Asburgo-Lorena assegna il territorio di Guardistallo al marchese Carlo Ginori. Guardistallo viene così incorporato, insieme ai territori di Cecina, Riparbella, Casale Marittimo e Bibbona, nel Marchesato di Riparbella.

Il 29 luglio 1871 Guardistallo è l’epicentro di un terremoto che raggiunge la magnitudo 5,13 della scala Richter ed il VII-VIII grado della scala Mercalli.

Il 29 giugno 1944, alla vigilia dell’arrivo delle truppe alleate, il paese fu teatro di un massacro perpetrato dai soldati tedeschi nel quale trovarono la morte 63 persone, in gran parte civili.

Lo stemma e il gonfalone del comune sono stati concessi con decreto del presidente della Repubblica del 22 aprile 2021.

L’attuale stemma sostituisce quello concesso con D.P.R. del 22 giugno 2012: d’argento, al castello con una sola torre posta a sinistra, di rosso, mattonato di nero, merlato alla guelfa, la torre di tre, il fastigio di sette, la torre finestrata di nero, il fastigio chiuso a destra dello stesso.

Il gonfalone è un drappo di rosso.

Guardistallo è tra le città decorate al valor militare per la guerra di Liberazione, insignita il 17 maggio 1996 della medaglia di bronzo al valor militare per i sacrifici delle sue popolazioni e l’attività nella lotta partigiana durante la seconda guerra mondiale: