L’any 1077, surt anomenat el terme de “Monte Olivo” en una donació que varen fer els comtes de Barcelona, del castell de l’Ametlla.
L’any 1079, el vescomte Ponç Guerau, dona i fill varen donar tot el que tenien en el terme de “Monte Olivo” a Guillem Mir.
L’any 1112, Guillem Mir vengué a Guillem Dalmau i a la seva dona el castell de Montoliu i la seva vila.
L’any 1218, Ramon de Cervera donà aquest castell al seu fill Guillem de Cervera, aquell mateix li confirmà la donació en el testament, aquesta confirmació també la va fer Ermessendis de Montoliu, dona de Ramon de les Piles.
L’any 1227, Guillem de Cervera concedí aquest castell al monestir de Santes Creus, reservant-se l’usdefruit, un any més tard atorgà tots els seus drets al cenobi.
El cenobi obtingué el domini total del castell i del seu terme al comprar les diferents castlanies, una a Gombau d’Oluja i una altra a Guerau d’Agulló.
L’any 1281, el rei Pere “el Gran” donà 1.600 morabatins d’or sobre les rendes de Vilafranca del Penedès, aquesta quantitat anava destinada a la compra del castell de Montoliu.
En el fogatjament de 1365-1370 comptava amb 32 focs, i en el de 1381 amb 28 focs, pertanyia a la vegueria de Cervera.
Al segle XVII, la jurisdicció civil pertanyia a l’Abat de Santes Creus i la criminal al Rei.
El cenobi conservà aquest castell fins a l’extinció dels senyorius i l’any 1837, totes les possessions del monestir varen sortir a subhasta.