La población y el castillo de Cantavieja, se asientan sobre una muela rocosa ofreciendo una espectacular vista estratégica de esta zona del Maestrazgo.
El conjunto fortificado es de planta triangular y muy alargada, y aunque el castillo sufrió importantes daños durante las guerras carlistas del siglo XIX , aún se conservan extensos lienzos del recinto exterior formado por las murallas de mampostería donde se observan contrafuertes rectangulares y torreones, además de algunas aspilleras para fusiles.
En el extremo se alzan los restos de un torreón circular construido en el siglo XIX sobre la base de uno medieval de planta rectangular; este fue usado como ermita hasta hace pocos años bajo la advocación del Calvario. En el lado que mira a la población se encuentra un muro que cierra el patio del castillo con la puerta de acceso, todo construido en el XIX. El interior está arrasado y únicamente se encuentran en él catorce peirones con las estaciones del Vía Crucis.
El rey Alfonso II de Aragón, entre 1169 y 1171, conquista el valle del río Guadalope, con ayuda de órdenes militares, y dona Cantavieja a la orden del Santo Redentor.
En 1196 se suprime el Santo Redentor y Cantavieja, aunque no figura en la donación del rey de 1196, debió de pasar al temple porque en 1204 el Obispo de Zaragoza concedió a la Orden del Temple la iglesia de Cantavieja, aunque esto no significa que ya existiera o estuviera levantada, si no que se daban derechos para construirla.
Existe una donación real que data de 1212, donde Pedro II alude a que Cantavieja había sido concedida por su padre Alfonso II “a la casa y hermanos de San Redentor”, en esta misma donación Pedro II confirma su posesión a los templarios y señala que lo hace con la finalidad de “poblar nuestras tierras, especialmente las situadas en la frontera musulmana”, lo cual indica que durante algún tiempo Cantavieja debió de carecer de colonos o pobladores.
En 1225 en capítulo celebrado en Monzón, el maestre provincial del Temple, Folch de Motpesat y los frailes de la encomienda concedieron carta puebla a los habitantes de Cantavieja a fuero de Zaragoza; una representación vecinal encabezada por el juez expresó su acuerdo con lo constituido.
En 1307, era junto con Monzón, una de las principales encomiendas templarias en Aragón y de las que más colaboraban en el envío de donativos a Oriente.
Cuando Jaime II ordenó la persecución de la Orden del Temple, Cantavieja combatió y resistió el sitio con Ramón de Galliners a la cabeza; hasta 1308 cuando el rey envió a Cantavieja a Berenguer de Tobía, (sobrejuntero de Sobrarbe y Ribagorza) que tuvo cercada la fortaleza durante varios meses de asedio hasta su rendición. Ramón Galliners entregó la fortaleza y los monjes depusieron sus armas solicitando al rey el indulto de sus defensores, con igual trato para laicos que para religiosos. Su comendador en aquel momento, Pedro Villalba fue llevado a Lérida para ser juzgado junto con los otros templarios que habían luchado en la defensa de la encomienda.
En 1317, el castillo y villa de Cantavieja, como tantos otros edificios y lugares templarios pasaron a la Orden de San Juan o del Hospital. Cantavieja, a partir de ese momento continuó siendo cabeza de una importante bailía o jurisdicción perdurando su posesión hasta 1784.
En el siglo XIX, en el transcurso de las Guerras Carlistas, el general carlista Ramón Cabrera, ocupó Cantavieja y fortificó su castillo en 1836 estableciendo una maestranza que se ocupaba no solo de la recomposición de las armas, sino también de fundir piezas de artillería.
En 1840 Cantavieja fue asediada por los liberales o partidarios de la reina dirigidos por el general Leopoldo O’Donnell, el general Cabrera viendo el ejército que se aglomeraba contra él dio orden a la guarnición para abandonar esta plaza, tras incendiar una parte de la población y volar el almacén de pólvora del castillo.
La explosión destruyó la fundición y algunos talleres. El general O’Donnell se posicionó en el lugar, cortó el fuego y salvó el hospital consiguiendo que la población de Cantavieja no desapareciera.
Durante la última Guerra Carlista, en 1873, el carlista Marco Bello creó de nuevo una academia militar en el castillo, pero este volvió a ser ocupado por los liberales a cargo del general Martínez Campos en 1875 tras meses de asedio.