Castelmuzio ist ein fast original erhaltenes mittelalterliches Dorf etruskisch-römischen Ursprungs und wird bereits in Dokumenten des 9.Jh.s der Abtei Badia Amiatina von San Salvatore mit dem Namen Casale Mustia erwähnt. In einigen Texten aus dem Jahr 1213, die im Staatsarchiv Siena aufbewahrt werden, erscheint es unter der Bezeichnung Castel Mozzo. Die Einwohner nennen den Ort einfach nur Castello.
Wie die gesamte umliegende Region gehörte es einst zum Eigentum der einflussreichen Familie Cacciaconti della Scialenga, deren weiträumiges Herrschaftsgebiet auch das bei Sinalunga gelegene Landgut della Fratta umfasste und fast bis zum Castrum von Montepulciano reichte.
1270 kam Castel Mozzo zur Republik Siena und wurde 1354 Eigentum des Ordens Ospedale di Santa Maria della Scala in Siena, dessen Wappen (eine Leiter) heute noch die Friese einiger Landgüter der Umgebung ziert. Anschließend wurde es einige Zeit von den Salimbeni regiert, um dann von den Piccolomini erworben zu werden, die es bis zur Wiedereroberung durch Siena beherrschten. Nach der Niederlage der Republik Siena wurde Castelmuzio von den Medici dem Großherzogtum Toskana einverleibt.