Il territorio di Villamassargia presenta importanti siti archeologici di varie epoche; venne scelto per la sua posizione strategica già nel Neolitico, sino all’epoca nuragica, di cui si trovano vari nuraghi, tombe dei giganti e alcuni pozzi sacri. In epoca romana venne edificato un acquedotto e varie fonderie.

In epoca successiva divenne il capoluogo della curatoria del giudicato di Calari, e per la fertilità dei suoi terreni divenne il comune più popolato del Sulcis. Successivamente, la zona passò sotto il controllo dei Della Gherardesca e alla Repubblica di Pisa, sino all’acquisizione definitiva del Regno di Sardegna ad opera degli Aragonesi.

Di epoca medioevale vanno ricordati la miniera di Orbai e il Castello di Gioiosa Guardia, che fu edificato su un colle situato nei pressi dell’abitato. Il castello venne probabilmente costruito per volere dei Della Gherardesca, o, secondo un’altra ipotesi, durante il regno di Guglielmo I Salusio IV, nel XII secolo.