Der Stadtteil Stöckenburg ist der älteste Stadtteil und auch der älteste urkundlich erwähnte Ort der gesamten Region. Der Bergrücken war schon in der Jungsteinzeit bewohnt, vor etwa 2000 Jahren waren Kelten dort ansässig. 741 machte der fränkische Hausmeier Karlmann eine Schenkung ans Bistum Würzburg.
Die Stöckenburg ist die Urpfarrkirche des Mulachgaues, eine Art Wehrkirche an der Gebietsgrenze der Franken zu den zehn Kilometer südlich entfernten Alemannen. Um die Stöckenburg herum bildeten sich im 7. und 8. Jahrhundert die ersten Orte, darunter auch Großaltdorf, erstmals eindeutig erwähnt 848 durch Abt Hatto von Fulda und Graf Sigehard. In der Keltenzeit wurden auf dem Heiligtum Kirchbühl Sonnwendfeiern abgehalten.
Die fränkische Siedlung Talheim entstand auch in dieser Zeit, wurde jedoch erst 1090 urkundlich erwähnt.
Vellberg selbst entstand als Burg auf dem Bergsporn um 1076 und wurde durch die Überbringung der Schenkungsurkunde des Klosters Fulda 1102 durch Heinrich von Vellberg an den Papst in Rom erstmals urkundlich erwähnt. Aus einer Ministerialenfamilie gingen die Herren von Vellberg hervor, die Burg und Stadt ab 1466 befestigten, von Kaiser Maximilian 1500 das Marktrecht erhielten und vermutlich um 1506 mit der hohen Blutgerichtsbarkeit auch die Stadtrechte.
1595 wurde Vellberg von der Reichsstadt Hall erworben, zu der Vellberg bis 1802/03 gehörte, ehe es zum Herzogtum Württemberg kam und selbstständige Stadt wurde. Mit dem Wiederaufbau der Bastion, den Stadtmauern, Türmen und dem unterirdischen Wehrgang wurde 1936 begonnen.
1856 kam der Stadtteil Talheim zu Vellberg, 1972 wurde Großaltdorf eingemeindet. Durch zahlreiche Baugebiete in Vellberg, Talheim und Großaltdorf wurde der staatlich anerkannte Erholungsort (seit 1970) zu einem attraktiven Wohnort.