Bonnieux a été un oppidum ou village fortifié, habité dès l'époque néolithique et à l'âge de bronze. Au premier siècle, son vaste territoire était traversé par la voie romaine (appelée via domitia) qui reliait l'Espagne à l'Italie; c'était l'une des plus importantes routes de l'Europe occidentale. A l'époque gallo-romaine, existait seulement le bas village. Plus tard, au Moyen Age, pour des raisons de sécurité, les habitants s'établissent autour de la zone surélevée, à l'abri du château qui appartient à la puissante famille d'Agoult, au lieu-dit Castellas, et construisent forteresse et murailles pour se protéger de bandes armées. Les remparts comprenaient 4 portes et des tours, dont il reste d'importants vestiges.

Au XIIème siècle, les Templiers auraient édifié la chapelle Saint-Sauveur, qui forme aujourd'hui la partie romane de la Vieille Eglise. Au conditionnel, puisque l'hypothèse d'une Commanderie des Templiers à Bonnieux n'a jamais été confirmée. Le territoire passe ensuite des d'Agoult aux comtes de Toulouse, en même temps que le Comtat Venaissin. Raymond VI puis Raymond VII concèdent aux " hommes probes " de Bonnieux une charte avantageuse les exonérant de nombreux impôts. A la mort de leurs successeurs, Jeanne et Alphonse de Poitiers, le roi de France tente de s'emparer du Comtat Venaissin mais doit céder aux revendications du pape Grégoire X. C'est donc à partir de 1274 que Bonnieux devient terre pontificale, administrée par Rome (ou par Avignon de 1309 à 1377), et le restera jusqu'en 1791. Cette appartenance en fait une enclave dans le domaine du Comte de Provence et confère à Bonnieux une singularité dans l'histoire de la région. Résidence parfois forcée des dignitaires ecclésiastiques, le village compte alors plus de 3500 habitants.

Mais les pestes successives et les guerres de religion vont décimer la région. Les Vaudois, qui avaient remis en valeur les terres de la plaine, sont pourchassés par l'Inquisition. Bien que les communes du Comtat aient été un peu préservées des conflits auxquels le royaume de France est confronté, la situation d'enclave n'est pas des plus tranquilles avec des postes-frontières installés aux limites de la commune. Jusqu'au décret de l'Assemblée Constituante du 14 septembre 1791 par lequel " en vertu des droits de la France et conformément au voeu de la majorité des communes, les deux Etats d'Avignon et du Comtat Venaissin [feront] partie de la France ".

On appelle ses habitants les Bonnieulais.