En la documentación de los siglos XII y XIII aparece denominada como "Naharruri". Su nombre actual se debe, al parecer, a la estación de la reina Juana de Castilla, Juana la Loca, en 1511 en está localidad.

A finales del siglo XII, don Diego López Díaz de Haro, Señor de Vizcaya, y su esposa doña Alonsa Ruiz de Castro cedieron la villa al monasterio cisterciense de Cañas, cuya fundación habían promovido con generosas donaciones.
Permanecería la localidad como propiedad de las monjas bernardas de Cañas hasta el año 1404, fecha en que decidieron éstas cederla a la villa de Haro en base a un contrato que les permitía reservarse el señorío directo de Naharruri.

Entre 1514 y 1524 se construyó el Convento de Dominicas de la Piedad, sufragando las obras Juan Fernández de Velasco, obispo de Calahorra. Se trasladaría a la población, para inaugurar el imponente edificio, el Papa Adriano VI, quien pernoctaría en el Palacio de los Condestables. El Palacio, edificado también a comienzos del siglo XVI, albergaría en 1511 a la reina Juana la Loca, hecho del que parece derivar el nombre actual de la villa, Casalarreina, contracción del topónimo Casa de la Reina con que se conocía todavía a mediados del siglo XIX.
Pertenecía el término, en el siglo XVI, al señorío de los Condes de Haro y Duques de Frías, independizándose de la vecina ciudad de Haro en el año 1671.

La ubicación excepcional del núcleo –como punto de paso hacia Miranda de Ebro, Logroño , Burgo, Haro y Santo Domingo de la Calzada- impulsó durante los siglos XVI, XVII y XVIII la construcción de buen número de caminos y carreteras que atravesaban la villa. En la década de 1820 a 1830, la Real Sociedad Económica de Amigos del País de La Rioja Castellana costeó una obra pública de la mayor importancia: el puente de sillería sobre el Oja, con arreglo al proyecto del ingeniero militar Antonio Bolaño.

Formo parte de Casalarreina de la provincia de Burgos hasta la creación de la de Logroño por Real Decreto de 30 de noviembre en 1833.

Son hijos notables de la villa Francisco Javier Gómez de Gayangos, marino nacido en 1698 que descubrió territorios en los Mares del Sur, y Mateo José Saracha y Barrera (1723-1803), monje del Monasterio de Silos y reputadísimo botánico y boticario, corresponsal del Jardín Botánico de Madrid. Cabe destacar también a un hombre estrechamente relacionado con la localidad, aun cuando se desconoce si fue éste su lugar de nacimiento: Juan Fernández de Velasco, hijo del Conde de Haro y Duque de Frías, obispo de Cartagena, Calahorra – desde 1509 a 1514- y Palencia, ciudad donde murió en 1520, siendo enterrado en el Convento de Dominicas de la Piedad, de Casalarreina, obra que había costeado generosamente el prelado.