La città sorge sul limitare di una valle molto ampia, sulla riva destra del Sangro. Le sorgenti di questo corso d'acqua si trovano nei pressi della cittadina di Pescasseroli, nel Parco nazionale d'Abruzzo, Lazio e Molise. Prima di raggiungere il territorio comunale di Castel di Sangro, il Sangro si immette nel Lago di Barrea, un bacino artificiale creato nel 1951. Dopo aver attraversato l'abitato di Castel di Sangro, il Sangro riceve l'acqua di altri affluenti e può essere considerato non più torrente ma fiume. Presso Villa Santa Maria, in provincia di Chieti, il Sangro si immette nel Lago di Bomba, un altro bacino artificiale. Il Sangro termina il proprio percorso sfociando nel Mar Adriatico.

Età antica

In seguito alla scoperta, ad opera di Antonio De Nino alla fine del XIX secolo, della vasta necropoli di Campo Consolino, presso la vicina Alfedena, è possibile affermare che le prime testimonianze certe di popolazioni stanziali nell'area di Castel di Sangro risalgono al VII secolo a.C.

La posizione della necropoli non è casuale poiché nelle sue vicinanze sorgeva l'antica Aufidena, un abitato di età italica, descritto nelle fonti antiche come uno dei principali insediamenti sanniti dell'intera area. Probabilmente, questo insediamento preromano si trovava sul monte dove successivamente è stata edificata la parte più alta e antica di Castel di Sangro. Nel 298 a. C., nel periodo conclusivo delle guerre sannitiche, Aufidena venne conquistata dai romani. Così, l'Alta Valle del Sangro subì la romanizzazione, con tutti i mutamenti sociali, politici ed economici che questo processo comportava. Successivamente, il territorio di Aufidena venne inserito nella IV regione augustea Sabina et Samnium ed attribuito alla tribù rustica Voltinia.

Età medievale

Il lungo periodo di pace interna assicurato dalla conquista romana si interruppe tra gli ultimi decenni del VI secolo e la metà del VII secolo, quando il territorio corrispondente all’attuale Abruzzo fu diviso fra i due ducati longobardi di Spoleto e di Benevento. Per tutto l'alto Medioevo, nonostante il territorio di Castel di Sangro facesse parte del ducato di Benevento, fu l'ordine benedettino, rappresentato dal monastero di San Vincenzo al Volturno, a costituire l'unico vero centro di potere nella zona. Verso la metà dell'XI secolo l'abitato di Castel di Sangro si trovava nell'attuale sito e per indicarlo comparirono le prime attestazioni del nome Castrum Sari.

In questo periodo su Colle S. Giovanni fu eretto un castello sui resti di fortificazioni preesistenti, probabilmente di età antica.

Con il periodo normanno l'Alta Valle del Sangro venne unificata al resto del Mezzogiorno, del quale condividerà l'assetto politico nei secoli a venire. Sul finire dell'XI secolo è uno dei principali castelli della Terra Borellense, cioè il vasto feudo della famiglia dei Borrello, di probabili origini franche ma legata in questo periodo ai Normanni pugliesi^[3]. Mentre nel XII secolo passò sotto il controllo dei Di Sangro.

Per quanto riguarda il XIII secolo, nel 1228 le truppe del cardinale Colonna incendiarono e distrussero il borgo e il castello di Castrum Sari per punire l'appoggio dato da Rinaldo II di Sangro all'imperatore Federico II di Svevia.

Nel frattempo, sul trono del Regno di Sicilia, alla dinastia normanna seguì quella sveva che regnò fino al 1266 quando venne sconfitta da Carlo d’ Angiò. Nel 1273, il primo re angioino spezzò l'unità amministrativa del Justitiaratus Aprutii creando due nuove province: l’ Abruzzo Ulteriore e l’ Abruzzo Citeriore. L'Alto Sangro, trovandosi a sud del fiume Pescara, venne inserito nell'Abruzzo citeriore con capitale Chieti. Intanto, la dinastia dei Di Sangro si estingueva nella linea maschile e tra il XIII secolo e il XVI secolo furono le famiglie dei D'Aquino, dei D'Avalos, dei D'Afflitto e dei Caracciolo a contendersi il dominio di Castel di Sangro e degli altri feudi alto sangrini.

Nella seconda metà del XV secolo, l'industria armentizia, in seguito al riordino attuato dall'amministrazione aragonese, rappresentava la principale fonte di reddito per le popolazioni dell'Abruzzo montano. Castel di Sangro, difatti, trovandosi lungo i percorsi di due importanti tratturi, quali il Pescasseroli-Candela e L'Aquila-Foggia, costituiva uno dei principali centri attraversati dalla Via degli Abruzzi, l'asse commerciale che attraverso gli altipiani e le valli fluviali dell'Abruzzo interno collegava Napoli alle fiorenti città dell'Italia centrale come Perugia e Firenze. Nonostante a Castel di Sangro si fosse sviluppata, grazie ai commerci, una piccola borghesia, la maggior parte della popolazione viveva di un’economia prevalentemente di sussistenza che ne rendeva omogenee le condizioni di vita.

Età moderna

Nel 1656, gli abitanti di Castel di Sangro furono colpiti da un'epidemia di peste che però non spense la vivacità della piccola borghesia castellana tanto che quasi un secolo più tardi, nel 1744, Carlo III di Borbone insignì Castel di Sangro del titolo di Città.

Età contemporanea

Castel di Sangro non beneficiò dell'annessione del Regno delle Due Sicilie al Regno d'Italia. Inoltre, la generale crisi della fine del XIX secolo contribuì al declino della pastorizia transumante.

Per quanto riguarda il XX secolo, le dirette conseguenze della Seconda Guerra Mondiale furono sofferte dai castellani a partire dal 1943, quando, nei pressi delle loro case, si assestò il fronte della linea Gustav, a cui seguì, il 7 novembre dello stesso anno, la distruzione dell'intero centro abitato compiuta dalle truppe tedesche per rallentare l'avanzata delle forze alleate.

Le sofferenze subite dalla popolazione castellana durante il periodo bellico vennero riconosciute mediante il conferimento alla cittadinanza della medaglia di bronzo al merito civile.