L'origine de la commune remonte au Néolithique. Aux environs de la chapelle Saint-Pierre, des niveaux d'occupation contenant de la céramique néolithique ont été mis au jour. Dans le bois du Pâtis, des silex Chalcolithiques ont aussi été découverts. Colonzelle fait partie des territoires des Tricastins, peuple pré-romain dont la capitale était probablement l'oppidum de Barry, près de Bollène. Après la conquête romaine, à la fin du IIe siècle avant J.C., le territoire tricastin devient une cité dont le chef-lieu est Augusta Tricastinorum (actuelle Saint-Paul-Trois-Châteaux). A cette époque-là, Colonzelle fait l'objet d'une importante colonisation agraire. Au début de notre ère, une importante villa s'installe au quartier Saint-Pierre qui perdure pendant toute l'Antiquité. Une nécropole avec des sarcophages des VIe-VIIe siècles (ossements et mobiliers) a été mise au jour à cet emplacement dont un cercueil à auge en pierre de taille gravé en lettres romaines (HIC VETRANUS PAUSAT : ici repose Vetranus) déplacé au hameau de Margerie. Des sondages archéologiques ont aussi révélé un édifice préroman. Colonzelle est le centre de la colonie agricole « Colonis zeli ». Des moines s'implantent dans la plaine, sur des espaces qu'ils vont coloniser et qui vont attirer de nouveaux habitants. Au 10e siècle, un prieuré rural, placé sous le vocable de Saint-Pierre, donné à l'abbaye de Cluny en 945 par Giraud, évêque d'Uzès, s'y installe. Autour de l'église, un cimetière, utilisé jusqu'au début du 16e siècle, succède à l'ancienne nécropole. Le doyen du prieuré est à la tête de dix moines bénédictins. A la même époque, les doyens édifient un château avec chapelle et fortifications au sommet d'une rive escarpée surplombant le Lez, où peu à peu, abandonnant la plaine, s'établissent les habitants de Colonzelle. L'origine de Colonzelle est donc monastique. En 998, Rodolphe III, roi de Bourgogne, renouvelle et confirme en faveur de l'abbaye de Cluny les donations faites par son père, comprenant en Provence, entre autres, le petit monastère de Saint-Pantaléon et le château de Colonzelle (castrum Colonzellas). Les clunisiens et le doyen sont les seigneurs du pouvoir temporel et spirituel jusqu'au milieu du 13e siècle. A cette époque, Colonzelle dépend de l'Abbaye Saint-Saturnin-du-Port (Pont-Saint-Esprit). Les moines de Cluny détiennent les revenus du fief et de la dîme des grains et du vin. Au XIIe siècle, des donations faites aux Templiers de Richerenches sont mentionnées sur la commune. Une famille du nom de Bermond de Colonzelles est citée dans le cartulaire de Richerenches en 1171. En 1271, après une transaction opérée entre l'évêque de Saint-Paul et le doyen de Colonzelle, le territoire est convoité par Guillaume le Gros, seigneur de Grignan, qui revendique des droits sur Colonzelle. Un acte d'arbitrage de 1276 rapporte que Guillaume le Gros était entré sur le territoire avec des hommes armés et avait volé des troupeaux. Le jugement est méconnu, mais à partir de cette date les Adhémar agissent désormais comme hauts seigneurs de Colonzelle, malgré la résistance des villageois. Peu après, un moine cluniste, membre de la famille Adhémar de Grignan est pourvu du bénéfice du doyenné. Le 13 juin 1297, Giraud d'Adhémar donne à son fils le fief du château de Colonzelle. Le doyen Guillaume Raoul prête hommage au seigneur de Grignan en 1353 et Guigonet Adhémar, comte de Grignan, pour la terre de Colonzelle en 1411. Mais les differends ne cessent pas entre le doyen, les Colonzellois et le seigneur de Grignan. En 1497, Guillaume Adhémar fait séparer les territoires de Grignan et de Colonzelle par des bornes, au lieu-dit Les Rouvières, depuis une colline jusqu'à la rive du Lez et jusqu'au rocher de Rochebouteille. Au début du 16e siècle, le doyenné est sécularisé et devient en 1533 possession du chapitre de Grignan. Les habitants reconnaissent, en 1566, au doyen du chapitre la juridiction haute, moyenne et basse sur leur territoire, le pouvoir d'y établir un bailli, un lieutenant, un procureur fiscal, un greffier et un sergent chargés de la police, la possession du château, de l'église et de Saint-Pierre, ainsi que des terres et des droits. Pendant les guerres de Religion, en 1574, le doyen doit céder la seigneurie de Colonzelle au comte de Grignan. En octobre 1588, Brottin, subordonné du capitaine huguenot Saint Ferréol, s'empare du château. Après plusieurs mois de pillage, ravages et incendies de fermes, Brottin est assiégé par Lesdiguières en févier 1589 et pendu à un amandier. En 1617, le chapitre réclame une nouvelle dîme : la dîme aux agneaux ; les habitants mécontents portent l'affaire devant le Parlement d'Aix remportant le procès et l'annulation de cette dîme. Les comtes de Grignan restent seigneurs de Colonzelle jusqu'à la Révolution, aux Adhémar ayant succédé en 1741 Jean-Baptiste de Félix du Muy, comte de Grignan. Ils n'y possèdent aucun château ni maison. Le 11 novembre 1792, une assemblée générale à laquelle participent les officiers municipaux et les notables, décide le partage des biens communaux entre les habitants par voie de tirage au sort, mais cette décision est annulée par le conseil du district de Montélimar. Le moulin seigneurial appartient encore à Joseph Marie de Félix, comte du Muy, lors de l'établissement du cadastre en 1835. Colonzelle est une commune rurale qui vivait de la polyculture : culture du blé, céréales, pomme de terre, élevage de brebis et de porcs, vigne pour consommation domestique. En 1866, on dénombre 1002 brebis, 205 porcs, 50 mulets, 25 chevaux ; en 1868, la production en blé atteint 1700 hectolitres, celle des pommes de terres 8000 hectolitres. Dès la fin du 18e siècle, comme dans les communes voisines, l'activité de la soie est florissante, plusieurs maisons ou fermes possèdent des magnaneries. En 1789, 15 quintaux de soie sont produits. Il existait une fabrique de poterie aux Launes, démolie en 1842. Au 19e siècle, cinq moulins sont aussi installés, dont un à papier, ainsi qu'un moulinage. Aucun ne fonctionne aujourd'hui, leur activité a cessé progressivement au cours du début du XXe siècle. Vers 1862, une passerelle est jetée sur le Lez pour relier Colonzelle à Chamaret. Puis, en 1878, l'architecte Casimir Courbet termine la construction du pont du Lez projeté en 1874 (coût 28 891 francs). A la suite d'inondations en 1911, des travaux de réparation de la digue et du pont sont réalisés par l'entrepreneur Michel Léopold ; Dijon, mécanicien aux Vernets, répare les dragues. En 1895, le pont de la voie ferrée est achevé sur le Lez à Rochebouteille. La ligne Pierrelatte-Nyons, passant par Colonzelle, est inaugurée le 3 août 1897 par le Président Félix Faure. Dans l'été 1944, les Allemands détruisent le pont face à l'avancée des Alliés. Le dernier train circule sur cette ligne en 1951. En 1882, la commune comptait 570 habitants contre 399 en 1990, 436 en 1999. En 2008, la commune fait partie des lauréats du « Prix patrimoine rhônalpin » pour le projet de restauration générale de la chapelle Saint-Pierre-ès-liens.