La Tabula Peutingeriana, tra le mansiones del tratto iniziale dell'importante diramazione per Siena della via Cassia Adrianea, indica il toponimo Ad Mensulas, nel quale è da riconoscere l'attuale località "Pieve di Sinalunga". Ancora nel Medioevo, in un privilegio di Federico II, del 1220, che si riferisce allo scomparso castello de "La Ripa", che sorgeva nei pressi della pieve, si parla di un "castrum de Ripis, quod antiquitus dicebatur Mensolis". La mansio della strada romana, il cui toponimo ricorda i brevi ripiani {mensulae) su uno dei quali poi si formerà il Castello di Sinalunga, doveva trovarsi, più esattamente, ove oggi è il Cimitero di San Niccolo, luogo che nel Medioevo ospitò la chiesetta di "Sancti Nicolai de Ripis".
Per quanto riguarda l'antica chiesa plebana di Sinalunga, documentata sin dall'VIII secolo, essa esiste tuttora e si affaccia sulla via principale della località La Pieve, a breve distanza dal capoluogo comunale.

Le più antiche notizie che fanno menzione del "Castello di Asinalonga" risalgono al XII secolo e ci presentano la località tra i possedimenti dei conti Scialenghi. Questi, a loro volta, già nel 1175, riconobbero l'alta sovranità senese, obbligandosi ad offrire il tradizionale cero annuale a titolo di sudditanza. Per la sua posizione marginale, ai confini del contado, il castello fu spesso al centro di episodi bellici, sia perché assediato da eserciti nemici (ad esempio dai fiorentini nel 1253), sia perché divenne ricetto di fuorusciti e di ribelli. Nel Trecento, dopo che all'inizio del secolo era stata occupata da Deo Tolomei, in guerra con la sua città, "Asinalonga" conobbe un periodo di relativo sviluppo, promosso da una serie di iniziative in suo favore deliberate dalla Repubblica di Siena. Diventò sede di un vicariato, furono restaurate le sue mura e il cassero e vennero intraprese opere di sistemazione idraulica nel suo distretto, facente parte della Val di Chiana.

Nel 1399, al tempo della dedizione di Siena a Gian Galeazzo Visconti, il castello fu ceduto a questi, che vi innalzò una rocca bastionata. Nel 1553 passò ai Medici, essendo stata una delle prime "terre" dello Stato senese conquistate dall'esercito imperiale nella "guerra di Siena".
Nell'ordinamento amministrativo del granducato Asinalonga fu fatta sede di podesteria: nella facciata in cotto del turrito Palazzo Pretorio, ancora esistente sebbene rimaneggiato, occhieggiano gli stemmi in pietra dei podestà succedutisi nel governo del castello. Con le riforme leopoldine del 1777 la podesteria, trasformandosi in comunità, incorporò Scrofiano, Farnetella, Rigomagno e Bettolle, acquisendo così la conformazione territoriale che caratterizza anche l'odierno comune.

Posta su un'altura che domina la Valdichiana, Sinalunga è oggi un importante centro agricolo-artigianale, con un abitato che ha conosciuto una forte espansione a partire dal XVIII secolo, in concomitanza con la redenzione agraria del territorio chianino. Di qui le frequenti inserzioni barocche e neoclassiche, che riflettono una intensa e vivace attività edilizia settecentesca, legata alla nuova economia locale trasformata dalle bonifiche della pianura. Nella parte più antica del paese è ancora individuabile l'andamento delle mura medioevali, delle quali restano anche dei tratti con alcune torri assai rimaneggiate.
Della rocca, fatta erigere dal Visconti, non rimangono più tracce: rovinata da un fulmine nel 1563, fu "insieme coi suoi bastioni rasata, nel 1590, per volontà del granduca Ferdinando I, che destinò al pubblico quel vasto piazzale e i materiali alla costruzione della nuova Pieve di San Martino, ivi in quell'epoca innalzata: mentre Clemente Vili con Bolla del 27 novembre 1591 delle prerogative d'insigne collegiata la decorava".

La Collegiata di San Martino, ad un'unica navata, con pianta a croce latina e cupola all'innesto del transetto, accoglie notevoli opere d'arte quattro-cinquecentesche: tavole del Sodoma e di Benvenuto di Giovanni, una Deposizione di Girolamo del Pacchia, un Crocifisso ligneo del Cinquecento, un tondo attribuito allo pseudo Pier Francesco Fiorentino e due tele seicentesche di Francesco e Nicola Nasini.

Appartennero per lo più alla consorteria degli Scialenghi anche gli altri castelli che nel Medioevo punteggiavano le colline del territorio che oggi forma il comune di Sinalunga. Alcuni di essi sono scomparsi (come il castello "La Ripa"), altri costituiscono le principali frazioni del comune (come Bettolle, Scrofiano, Farnetella) ed hanno conservato l'aspetto del fortilizio solo nella conformazione urbana dei vecchi nuclei.

Numerosissimi sono i reperti di epoca etrusca raccolti nel territorio di Sinalunga ed esposti oggi nell'Antiquarium di via Curtatone.
Presso Bettolle, nel 1887, furono rinvenute dodici tombe a camera che comprendevano sarcofagi, buccheri, bronzi, oreficerie e ceramiche; tombe con iscrizioni e un'olla a vernice vennero alla luce in proprietà Bandini. Tombe del IV-III secolo a.C. sono state scoperte anche presso Villa Passerini e altre cinque nella zona nord di Bettolle, nelle quali erano conservati buccheri e ceramiche a figure rosse e nere.