Leonessa fu fondata nel 1278 con la fusione di vari castelli preesistenti, nell'altipiano alle falde del monte Tilia. Ai margini settentrionali dell'altopiano si fissò, già sul finire del XII secolo, la linea pedemontana di confine tra Stato della Chiesa e Regno di Napoli, ad ognuno dei quali fece capo un gruppo di castelli. Tale fondazione va inquadrata nei procedimenti di sinecismo o di incastellazione che, soprattutto in Abruzzo nei secoli XIII-XIV furono all'origine di molti agglomerati.
Nei secoli XV-XVI fiorirono le industrie, principalmente quella laniera, che trovò sbocchi in numerosi centri commerciali, dai mercati di Farfa a quelli di Ascoli Piceno. In seguito l'arte della lana volse al declino, pur continuando ad assorbire una considerevole parte dell'artigianato locale. Nel corso del '500 Leonessa venne infeudata a Margherita d'Austria, figlia di Carlo V, la quale la portò in dote ai Farnese.
Nel 1927 passò dalla provincia dell'Aquila, ricompresa nello storico circondario di Cittaducale, a quella neoistituita di Rieti, appartenente al Lazio anziché all'Abruzzo.
Dopo l'8 settembre, la zona di Leonessa fu interessato da un forte movimento partigiano, e il 16 marzo 1944 il paese e le frazioni circostanti vennero occupate dai partigiani della Brigata Garibaldina Antonio Gramsci, e inglobate in una zona libera che andava dalla Valnerina a Norcia e a Leonessa, con al centro Cascia. A ciò seguì una forte reazione da parte dell'esercito tedesco, che attaccò in forze la zona. Leonessa pagò un alto prezzo di sangue, quando tra il 2 e il 7 aprile si susseguirono una serie di stragi (la Strage di Leonessa) in cui vennero trucidati 51 civili, tra cui il parroco Don Concezio Chiaretti.