Com molts dels municipis del Segrià, Montoliu de Lleida té els seus orígens en el període de la Reconquesta, quan Ramon Berenguer IV va atorgar aquestes terres a Pere de Montoliu, un dels cavallers de la Segarra que l'havien ajudat a expulsar els sarraïns. Durant l'edat mitjana, tant Pere de Montoliu com els seus descendents van cedir terres a la seu i els bisbes de Lleida i el 1213 el castell de Montoliu va ser donat, per Pere I el Catòlic, a l'església de Lleida. Amb els anys, la propietat del castell va retornar a mans laiques, pertanyent durant diversos períodes a la casa dels Navarra. No obstant això, quan va acabar l'Antic Règim tornava a pertànyer a l'Església de Lleida.
A la fi del segle XVIII, el municipi es va beneficiar de l'arribada de l'aigua a través dels recs de Fontanet i de la séquia de Torres i, al principi del segle XX, de l'últim tram del canal d'Urgell.