Il castello di Ursiano, forse in origine feudo di una famiglia di origine longobarda, è attestato in antiche pergamene pisane sin dall’VIII secolo, conservate oggi all’Archivio Arcivescovile di Pisa. Il castello fu posto successivamente sotto la sovranità di Pisa, e nel 1313 risulta unito alla Pieve di Scutriano.

Dipendente dal Vicariato delle Colline o di Lari, fu feudo pisano concesso a Pietro Caetani che lo vendette a Firenze nel 1405 in cambio di una grande casa nella città. Nel 1406 la Repubblica di Pisa venne annessa a quella fiorentina.

Nel 1494, in seguito alla ribellione di Pisa nei confronti di Firenze, Orciano ritornò sotto la sovranità pisana con i castelli vicini di Santo Regolo e Santa Luce. Più volte perduto e riconquistato dai Pisani, finché i fiorentini non ebbero la meglio e sconfissero definitivamente l’esercito pisano, soffocando in questo modo ogni velleità autonomista. Riconquistato dai fiorentini, Orciano venne incendiato e le sue fortificazioni smantellate.

Distaccato dal vicariato di Lari, passò sotto il Capitanato di Livorno e divenne feudo autonomo col titolo di marchesato, conferito il 19 aprile 1630 a Roberto degli Obizzi di Padova. Tale rimase fino al suo ultimo erede ed alla sua soppressione nel 1783, quando tornò sotto il vicariato di Lari e successivamente alla podesteria di Rosignano Marittimo, come comunità autonoma.

Nel 1846 il territorio comunale fu una delle aree più colpite durante il terremoto di Orciano Pisano, che provocò diverse vittime.

Dal 1927 al 1957 il comune di Orciano fu accorpato a quello di Santa Luce, formando il comune di Santa Luce Orciano (km² 77; 3 571 abitanti nel 1951). I due comuni furono nuovamente divisi nel 1957.