Las favorables condiciones del cañón del Ebro han propiciado que allí hubiera pobladores desde hace miles de años; prueba de ello son las cuatro interesantes cuevas de sus contornos, dos de ellas con pinturas rupestres. El término ‘Orbaneja’ es un hidrónimo (apelativo de lugar con agua) de raíz indoeuropea, por lo que esta denominación debió de ser previa a la llegada de los romanos a la zona. La gran carestía de documentos sobre éste lugar ha motivado que se conozca poco de la historia de Orbaneja del Castillo, siendo esta deducida por los vestigios arqueológicos y conocida por la documentación de otras localidades. Éste fue un asentamiento que desde hace milenios vivió de la molienda del cereal cultivado en el vecino páramo de Bricio; en el periodo medieval, el flujo de su cascada llegó a mover hasta cinco molinos.
Orbaneja del Castillo debió de ser repoblada originalmente por mozárabes procedentes de Extremadura o Andalucía, traídos allí por los reyes de Asturias durante los siglos XVIII o IX. El tráfico mercantil por las riberas del Ebro, conectando la Meseta con Cantabria, fue otro medio de vida. Ese camino de herradura se convirtió en uno de los principales ramales que conectaba el Camino Francés de Santiago con el Camino Norte; por esta razón los caballeros templarios –posibles defensores del desaparecido castillo- levantaron en Orbaneja del Castillo el Convento y Hospital de San Albín. Su importancia puede deducirse de la existencia de una aljama judía. Los reyes católicos confirmaron su relevancia con la concesión del título de villa, como reconocimiento de su pujanza.
En los siguientes siglos permanecería como un lugar pequeño, pero próspero, pues en el siglo XVIII era uno de los trece ‘Lugares’ en que se organizaba la intendencia de Burgos; en el siglo XIX contó con un ayuntamiento constitucional . Desde los años setenta es un barrio del municipio de Valle de Sedano. Y en 1993 fue catalogada como Conjunto Histórico.