La villa de Santa Olalla de Bureba está situada en la falda de La Brújula y bañada por el Ebro, aunque en una parte de su término, la que linda con Caborredondo, vierte al río Duero. Debe su nombre a Santa Eulalia, una joven que mereció la gloria del martirio durante la persecución de Diocleciano a principios del siglo IV. El cuerpo de la santa fue llevado a Asturias a raíz de la invasión árabe y luego guardado con toda veneración en Oviedo, extendiéndose su devoción por todo el norte de España en los siglos altomedievales. Cuando los foramontanos llegaron a estas tierras el grupo que fundó esta villa, probablemente en el siglo IX, tras la fundación de Burgos (año 884), traía alguna reliquia de la santa y de ahí el nombre de la nueva villa.
El nombre latino de Eulalia es Olalla, y se la apellidó de Bureba para distinguirlas de otras poblaciones que tenían el mismo nombre. La primera mención escrita que hace referencia a Santa Olalla de Bureba data del año 1011, cuando don Sancho I la cita en el documento fundacional del Monasterio de San Salvador de Oña. El conde de los Buenos Fueros, como se le conocía, hizo abadesa y señora del mismo a su hija Tigridia y entregó al monasterio la mitad de la hacienda que poseía en Santa Olalla de Bureba. Cien años más tarde hay constancia de la existencia de otra villa, Villasuso, en el actual término de Santa Olalla, situada en un pago que todavía mantiene el mismo nombre. Por otro lado, una poderosa dama llamada doña Estefanía hace donación de sus bienes al Monasterio de Oña, bienes entre los que se encuentran las haciendas que poseía en Villasuso.
Más tarde Santa Olalla de Bureba absorbe a Villasuso con sus vecinos y territorio. Años más tarde, en el 1146, el emperador Alfonso VII otorga a la villa de Cerezo de Río Tirón un fuero cuyos artículos extiende a una larga lista de villas, entre ellas Santa Olalla de Bureba. Los beneficios del fuero se referían fundamentalmente a la administración de justicia, a la exención de algunos impuestos y a la obtención de algunos privilegios de pastos, portazgo y pontazgo. Durante la época meieval y moderna la población de Santa Olalla de Bureba no fue alta; en el siglo XIII aparece en la relación de préstamos de la diócesis de Burgos con 13 maravedises, lo que supone que su población no pasara de cien habitantes. Ya en el año 1591 la población de había duplicado; mientras que en el año 1843 cuenta con 144 habitantes. Sus vecinos vivían de la explotación de sus cultivos de lino y de una cantera de jaspe. También, ya en el siglo XVIII, cuando Santa Olalla de Bureba figura en la cuadrilla de Prádanos, una de las siete en las que se dividía la Bureba, comenzaron a aprovecharse del Camino real de Madrid a Francia.
En el siglo XIX llegó el ferrocarril y a mitad de siglo ya funcionaba el tren de vía única de Madrid a Paris. En el siglo XX el término de Santa Olalla de Bureba es de paso obligado de todas las redes de servicios entre la meseta superior, el Valle del Ebro y Europa, así que por su término municipal –cosas de geografía- pasa un gasoducto, un oleoducto, la Nacional I, el ferrocarril, la autopista Burgos-Málzaga, el Camino de Santiago, el de Quintanavides... Esta capacidad de servicio ha beneficiado mucho económica y socialmente a la localidad de Santa Olalla de Bureba, que, por otro lado, ha padecido también un gran descenso de población debido a la evolución industrial.