La primera noticia de asentamientos humanos en Calatorao se remonta al año 1200 antes de Cristo y se refiere a restos arqueológicos encontrados en el cerro “El Calvario” atribuidos a la época de Bronce final-Hierro I. Pero las noticias mejor conocidas hacen referencia a la antigua ciudad celtíbera de Nertóbriga perteneciente a los pueblos Titos, o los Belos y Lusones, y que existiría hacia el año 500 antes de Cristo. No se conoce exactamente su ubicación, pero se dice que pudo estar cerca del cerro denominado Puyrredondo, entre La Almunia y Calatorao. Acuñó moneda con el nombre de Nertobris, que pudo ser su nombre verdadero, latinizado por los romanos en Nertóbriga. Las investigaciones realizadas la sitúan en la vía romana que unía Emerita (Mérida) y Caesaraugusta (Zaragoza) a 21 millas de Bilbilis (Calatayud), 14 de Segontia (entre Pinseque y La Muela) y 29 de Caesaraugusta. Desempeñó un papel importante en la guerra de Numancia entre los años 154-153 a.C. En todas sus monedas conocidas hay una cabeza de varón con la inicial de la cuidad detrás y en el reverso un lancero o un caballo alado y el nombre de la cuidad.
En las excavaciones arqueológicas realizadas en Puyrredondo se han encontrado restos de estancias y bastantes cerámicas. También en diferentes puntos de Calatorao son abundantes los restos de cerámicas, agujas y monedas, todas ellas de época romana, posiblemente de los siglos I y II después de Cristo. Igualmente se tienen noticas de una necrópolis romana situada en un cabezo próximo a Arguillos.
De la época Visigoda hay muy pocos restos en Calatorao, sólamente apuntar que en el año 583 de la era Cristiana, Leovigildo reedificó las murallas de Nertóbriga para expulsar a los Vascones que estaban próximos, convirtiendo a dicha ciudad en Curia Aragonesa.
Será la cultura musulmana la primera que dejó importantes vestigios históricos. En el año 714, los musulmanes, capitaneados por Muza Ibn Musayr, toman Zaragoza y sus alrededores, permaneciendo en nuestras tierras durante varios siglos. Como recuerdo de su estancia tenemos muchos restos materiales. El propio nombre de Calatorao es de origen árabe -Qalat-al-Turäb- y significa “Castillo de Tierra” haciendo mención expresa al castillo que se levanta en lo alto de la localidad. Dentro del castillo se encuentran restos de puertas y otros elementos que confirman el origen árabe del mismo. Además está muy bien conservada su última mezquita aljama mudéjar de los siglos XIV y XV y que permaneció en uso hasta el año 1520 cuando es obligada su conversión. También el trazado de las acequias fue ideado por los árabes, quedando todavía muchos de sus sistemas de riegos y terminología de los mismos (azud, ador, alfarda, almunia, savacequias).
Los primeros documentos escritos que hacen referencia a Calatorao lo reseñan con la forma «Calaturab» por primera vez en 1128. Cuando Alfonso I el Batallador reconquista Calatorao de manos de los árabes, sus tierras pasan a ser propiedad de realengo, y se encarga de gobernarlas Lope Garcés II de Estella, tenente del castillo desde 1128 a 1133. En 1160, reinante el conde de Barcelona Ramón Berenguer IV se confirma, por el testamento de Berenguer de Coroge, que Pedro A. de Torroja dio a su hermano el castillo de Calatorao que tenía por el conde de Barcelona con sus pertenencias.
El 5 de Septiembre de 1213 el Rey Pedro II dona la villa y castillo, que había recibido de Doña Urraca de Buñol, al Cabildo de Santa María la Mayor o del Pilar de Zaragoza, que lo mantuvo durante más de 600 años En esta villa de señorío eclesiástico, las funciones que normalmente correspondían a los delegados del rey, eran desempeñadas por los priores del Pilar, sin embargo cuando el rey Martín el Humano vendió la villa de Ricla a Fernán López de Luna en 1404, le cedió también la jurisdicción sobre Calatorao. Era por tanto el señor de Ricla, quien podía actuar como juez en el lugar de Calatorao, aunque el señorío perteneciera al prior y capítulo del Pilar de Zaragoza. Posteriormente el rey Alfonso V concedió en 1428 al caballero Juan Martín de Luna y a los suyos la jurisdicción criminal y el mero y mixto imperio de Calatorao y sus términos, tanto sobre sus habitantes como sobre los extranjeros, lo mismo que solían ejercerla los oficiales reales de Ricla.
Los moradores de Calatorao, tanto cristianos como moros, obtuvieron por privilegio real la franqueza del peaje y de la lezda; no estaban obligados a proporcionar al rey ejército, fonsadera o cabalgada ni cuestía; y estaban exentos del impuesto de la cena, concedido por el rey Jaime II y confirmado por sus sucesores y aunque el lugar había sigo reconquistado en el siglo XII, los mudéjares o moros eran mayoría respecto a los cristianos. Consultando documentos antiguos, nos llevan a considerar que la población total de Calatorao en 1350 era de 100 moriscos y 45 cristianos. La administración del lugar, al menos en 1362, la desempeñaban conjuntamente cristianos y moros. Los cargos del justicia, del alcalde y de su lugarteniente recaían en cristianos, mientras que el de los jurados podía hacerlo en moros, con el alamín del lugar y el alfaquí como máximos representantes. Según el registro de las Cortes de Tarazona de 1495, 30 fuegos eran de cristianos y 38 de musulmanes. Resultando que la población era de 171 moriscos y 135 cristianos, total 306 personas, pero en 1650, con el pueblo ya repoblado después de la expulsión de los moriscos, se cuentan 117 fuegos (527 personas).
Calatorao perteneció prácticamente durante seis siglos al Cabildo del Pilar. Tal circunstancia marcó y determinó en gran medida el devenir histórico de esta villa. A lo largo de este tiempo, y en concreto en el reinado de Alfonso V (1416-1458) se realizan gestiones para incorporar Calatorao a la Corona, pero no debieron de surtir efecto pues en 1481 el rey Don Fernando el Católico dirige una orden real al noble Lope de Urrea para que mantenga un canal de riegos posesión del Cabildo del Pilar al igual que toda la Villa. Precisamente al servicio de los RR.CC. trabajó Pedro Marcuello, alcaide de Calatorao en 1475, cantor de las laudes imperiales y uno de los primeros poetas, que en español canta a la Virgen del Pilar.
Las órdenes religioso-militares del Hospital de San Juan de Jerusalén, la del Santo Sepulcro y la del Temple, tan trascendentales en la Reconquista y Repoblación en otras zonas, no tuvieron una excesiva repercusión en Calatorao, sin duda condicionado por el hecho que desde muy temprano, desde el siglo XIII, perteneció al Cabildo del Pilar.
Las propiedades de la orden del Temple quedaron reducidas a la casa y torre de Argillo que en 1312 al ser disuelta esta orden entraron en poder del noble bilbilitano Don Fernando Muñoz de Pamplona. Esta casa y heredamiento dieron lugar a un título condal, El Conde de Argillos.
Ya mucho más reciente, en concreto durante la Guerra de la Independencia, se tiene noticias de llegada de heridos de los Sitios de Zaragoza y de que se realiza, por orden del General Palafox, un estudio del pueblo y se informa de que en caso de necesidad Calatorao podría albergar a 500 soldados, 300 de ellos con sus oficiales en el castillo y el resto en la población.
Fueron las leyes desamortizadoras de 1836-37 las que terminaron con el patrimonio del Cabildo y sus posesiones pasaron a particulares. Anunciando la subasta de sus bienes en Calatorao en 1853 y 1861.