Charmant village médiéval presque intact, d'origine étrusque et romaine, Castelmuzio est mentionné dans des documents du IXe siècle de la Badia Amiatina di San Salvatore, sous le nom de Casale Mustia. Dans certains textes conservés aux Archives d'État de Sienne, datant de 1213, il apparaît sous le nom de Castel Mozzo. Ses habitants l'appellent simplement Castello.
Le village appartenait aux puissants Seigneurs Cacciaconti della Scialenga. Leurs vastes domaines comprenaient la ferme de la Fratta, à peu de distance de Sinalunga, et s'étendaient jusqu'aux environs du Castrum di Montepulciano.
En 1270, Castel Mozzo passe aux mains de la République de Sienne et en 1354, le village est rattaché à l'Hôpital de Santa Maria della Scala de Sienne, dont les armoiries (un escalier) sont encore visibles sur les frises qui ornent les façades de certaines des fermes environnantes. Dominé pendant un certain temps par la famille Salimbeni, il fut acheté par les Piccolomini, qui en restèrent propriétaires jusqu'à sa reconquête par Sienne. Avec la défaite de la République de Sienne, Castelmuzio est annexé par les Médicis au Grand-Duché de Toscane.