Ատալայայի ամրոցի հիմնադրման ստույգ ժամանակը հայտնի չէ։ Արաբական աղբյուրներում ամրոցն առաջին անգամ հիշատակվում է 1172 թվականին։

Ամրոցը կարևոր նշանակություն է ունեցել Կորդովայի ամիրայության հյուսիսային սահմանի վրա։ Ջեյմս I Արագոնցու զորքերը երկու անգամ պաշարել են այն, սակայն չեն կարողացել գրավել։ Ջեյմս I-ն ամրոցը գրավել է միայն գրավվել է թվականին։ Ամրոցը Կաստիլիայի թագավորությանն է հանձնվել 1244 թվականին կնքված Ալմիսրայի պայմանագրով։ Նա այն հանձնվել է Կալատրավայի օրդենին, սակայն Ինֆանտ Մանուելը վերցրել է այն, երբ դարձել է Վիլյենայի լորդ։ Ամրոցում բնակվել է նրա որդին՝ գրող Խուան Մանուելը։

1476 թվականին Վիլյենայի քաղաքացիները կաթոլիկ վանականների դրդմամբ ապստամբել են մարքիզի դեմ և կոտորել ամրոցում գտնվող հրեաներին ու կոնվերսոներին (կաթոլիկություն ընդունած հրեաներ կամ մուսուլմաններ)։ Այդ դեպքից հետո ամրոցը դադարել է մարքիզների նստավայր լինելուց և դարձել է թագավորական սեփականություն։

Վիլյենա դե Ատալայա ամրոցը կարևոր դեր է խաղացել 1700 թվականից մինչև 1714 թվականն Իսպանիայի անկախության համար մղված պատերազմի ժամանակ։ Այդ ընթացքում ամրոցում ապաստանել են Ֆելիպե դե Բուրբոն V-ի կողմնակիցները, ովքեր իրենց երկրի անկախության համար պայքարում էին Ավստրիայի Կառլ թագավորի դեմ. Բուրբոնի կողմնակից 50 մարդ ութ օր ամրոցում դիմադրել է ավստրիացիների պաշարմանը, ովքեր ի վերջո ստիպված են եղել դադարեցնել պաշարումն ու հեռանալ։ Այդ պատերազմի ընթացքում ամրոցը զգալի ավերածությունների է ենթարկվել։

Հետագայում ամրոցը լքվել է[1]։ 1931 թվականին ամրոցում կատարվել են վերակառուցողական աշխատանքներ։ Նույն թվականին ամրոցը հայտարարվել է ազգային պատմական հուշարձան[2]։ 1958 թվականին ամրոցի վերակառուցումը վերսկսվել է։ Վերակառուցման աշխատանքներն ավարտվել են 1999 թվականին. վերականգնվել են ամրոցի ինտերիերն ու նրա պատերը[3]։