Nel punto più stretto del crinale che divide le vallate dell'Ete Vivo e del Tenna, spunta sopra un colle non troppo alto, il centro storico di Grottazzolina. Probabilmente edificato dai monaci farfensi durante il X secolo, questi avevano giurisdizione anche nella vicina contrada di Montebello.
Il primitivo insediamento aveva preso luogo sopra una cresta rocciosa dove forse si aprivano diverse grotte, da qui secondo alcuni deriva il nome che, nel corso dei tempi, si arricchirà di vari aggettivi, altri invece fanno riferimento alla cripta della chiesa di San Giovanni, nei pressi della quale si creò il paese.
Intanto il potere farfense andava decadendo, anche a seguito di una cattiva gestione dei beni fondiari da parte dei monaci, veniva quindi corroso da quello delle famiglie nobili e del Vescovo Conte di Fermo che accresceva il suo potere strappando loro diversi feudi. Si ritrova infatti il castello in possesso di una dinastia feudale, dalle carte infatti leggiamo di alcuni nobili imparentati tra di loro che nel 1021, si scambiano alcuni terreni nei pressi di "Grotta". Si sottomettono alla fine al potente Vescovo di Fermo e nel 1062 gli cedono il castello insieme a quello di Montebello in cambio di altri territori, manterranno però una quota di minoranza del feudo; nel corso del XII secolo è sotto il controllo dei Canonici della Cattedrale di Fermo ed aveva preso il nome di "Grotta dei Canonici".
Per volere di Marcovaldo di Annweiler, in rappresentanza dell'Imperatore Svevo Federico Barbarossa, passa sotto Montegiorgio dal 1195 fino al 1197 quando ritorna alle autorità fermane, nel 1199 la cittadina è costretta a rinunciare con un'atto ad ogni diritto sulle concessioni imperiali, compresa Grottazzolina.
Una svolta per il castello avviene ai tempi della lotta per le investiture tra l'Imperatore Ottone IV e Papa Innocenzo III, quando diventa signore della Marca d'Ancona Azzo VI d'Este detto Azzolino, assicurandosene il possesso per la sua dinastia. Durante la signoria estense il castello veniva occupato da un suo successore: Azzo VII, investito marchese nel 1217 sottraendolo quindi ai canonici della Cattedrale, generando una lunga disputa tra la chiesa fermana e gli Este. Dai documenti dell'epoca compare per la prima volta la denominazione "Grotta Azzolina" a sottolineare il cambio ai vertici del castello, ritorna sotto il vescovo nel 1224, ma Azzo VII ne mantiene il controllo con le armi. La disputa viene risolta sotto Papa Gregorio IX e nel 1236 i possedimenti usurpati ritornano in mano al Vescovo, nonostante il rifiuto di Grottazzolina e di altri centri, poco dopo anche i Canonici della Cattedrale scatenarono le loro proteste in quanto non avevano gradito il passaggio di proprietà al Vescovo ma la disputa si risolve in un accordo del 1239.
Ma il potere vescovile andava ormai scemando in favore del comune fermano ed a dimostrazione di ciò alla fine nel 1266, i canonici concedono in enfiteusi il feudo di Grottazzolina al sindaco di Fermo, che ne fa uno dei punti strategici delle sue difese e salvo una ribellione nel 1306, il castello le rimarrà sempre fedele. Con il trasferimento della sede pontificia ad Avignone, nella zona riesplodono i sentimenti di autonomia e la lotta tra le fazioni guelfe e ghibelline, a quest'ultima faceva parte Giacomo della Grotta che insieme a Mercenario e Baccalario da Monteverde avevano composto un'alleanza contro il papato. Dopo la ribellione fermana del 1316 al Papa, inizia la carriera politica di Mercenario che nel 1223 diventa signore degli eserciti fermani e nel 1331 signore della città. Intanto Giacomo della Grotta, a capo della fazione ghibellina grottese aveva scatenato nel 1328, degli scontri nel castello con la fazione guelfa e ne assicurava la fedeltà alla causa del Monteverde fino alla sua morte avvenuta nel 1340.
Segue poi la tirannia di Gentile da Mogliano nel 1345 risveglia il sentimento ghibellino anche a Grottazzolina ma la sua signoria avrà fine con l'arrivo del Cardinale Albornoz che recupera il fermano per conto della Santa Sede e che imporrà il giuramento di fedeltà a Fermo ed una forte multa al castello grottese. Nel 1375 sale al potere Rinaldo da Monteverde che muore quattro anni più tardi, mentre per le campagne scorrazzavano liberamente diverse compagnie di ventura, vivendo alle spalle della popolazione e così nel 1382 si registra che il castello era stato occupato dalla compagnia di Bartolomeo Smeducci di San Severino. Tornata nel comitato fermano partecipa con altri centri alla guerra contro Ascoli nel 1387, con azioni contro il territorio di Ripatransone. Dopo la breve signoria degli Aceti di fine trecento, appare sulla scena della Marca nel 1404 Ludovico Migliorati, nipote del neo eletto Papa Innocenzo VII che lo aveva investito del governo di Fermo, due anni dopo il pontefice muore ed il suo successore gli richiede indietro la città che egli si rifiuta di restituire. Il papato quindi invia il Vescovo da Montefeltro con le sue truppe a riconquistare il fermano, assalendo vari castelli tra questi Grottazzolina che cade nel 1407 e data alle fiamme, viene distrutta. Il migliorati la farà ricostruire nel 1409 ma nel mentre iniziano le lotte anche contro Carlo Malatesta che nel 1413 prende il castello ancora in ricostruzione, nel 1422 vi passa anche Braccio da Montone. Ludovico muore nel 1428 e ritorna al governo l'amministrazione cittadina, nello stesso inizia la controversia per i pascoli della Boara alla quale partecipa anche la popolazione grottese, nel 1433 arriva Francesco Sforza conquistando Fermo fino al 1446. Grottazzolina viene presa di mira da Ercole Bentivoglio che a capo di una compagnia di ventura, terrorizzava il fermano al termine delle guerre con Ascoli nel 1498, tenterà di violare le mura del castello ma sarà respinto.
Oliverotto Euffreducci diventa il nuovo signore fermano nel 1502 per un breve periodo ma farà in tempo a costruire una fonderia di cannoni nel paese, lo seguirà il nipote Ludovico nel 1513 fino alla sua morte nel 1520 avvenuta nella battaglia con Niccolò Bonafede, Vescovo di Chiusi, mandato dal Papa a recuperare la città, lo scontro avverà tra le piane di Grottazzolina e Montegiorgio. Esplodono alcuni tafferugli nel castello durante la carestia e la pestilenza del 1526, nel 1537 il centro ottiene dei privilegi dalla curia pontificia, si registrano il passaggio delle truppe di Sciarra Colonna l'anno successivo e del Lautrec nel 1528, con le solite devastazioni alle campagne. Con Papa Paolo III Farnese viene creato lo Stato dell'Agro Piceno spostando il capoluogo a Montottone, punendo così Fermo per dieci anni, riesplode la questione della Boara nel 1542 e stavolta le violenze sfociano quasi in una vera e propria guerra.
Il seicento sarà politicamente più tranquillo per il paese salvo diversi attriti con la città per questioni amministrative e per l'alta tassazione che continuarono anche nel secolo successivo, nel 1709 i grottesi si rivolsero quindi all'amministrazione pontificia per risolvere le loro dispute. Passano gli eserciti napoletani durante la guerra tra la Spagna e l'Austria, nel 1742 sostano nei pressi del paese e commettono ruberie nelle campagne, le razzie continueranno anche dopo che le armate austriache, sconfitte le truppe partenopee, si daranno al loro inseguimento. Alla fine del XVIII secolo arrivano le armate della rivoluzione francese anche nelle campagne marchigiane, crollano le istituzioni pontificie e viene dichiarata la Repubblica Romana che riorganizza il territorio.
Grottazzolina passa nel nuovo cantone di Montegiorgio sottoposto al governo di Fermo nel nuovo Cantone del Tronto, presto però il sentimento antifrancese sfocia in rivolta che si conclude con la cacciata delle truppe rivoluzionarie e col ripristino dell'autorità papale nel 1800. Nel 1809 ritornano i francesi con Napoleone e ripristinano le precedenti amministrazioni repubblicane fino alla caduta dell'imperatore nel 1814, in questo periodo i municipi di Grottazzolina e Ponzano vengono soppressi e aggiunti a Fermo, per tornare indipendenti solo dopo la restaurazione. Nel 1860 entra a far parte del Regno d'Italia sebbene il paese non gradisca la perdita della provincia da parte di Fermo ed il piccolo centro sarà tra i capi della protesta contro il nuovo governo italico. Durante il secolo successivo si assiste ad una forte espansione industriale e commerciale lungo la valle del Tenna, anche il paese ne viene coinvolto, nel primo novecento viene anche collegato dalla ferrovia Fermo - Amandola. Il comune è tornato a far parte della nuova provincia di Fermo nel 2004.
Il centro del paese è dominato ancora dal vecchio e suggestivo castello circondato dai resti della cinta muraria, raggiungibile salendo l'unica rampa che lo collega, un tempo sbarrata dalla porta oggi scomparsa; qui si trova la chiesetta di Santa Monica aggrappata alle mura, due strette viuzze collegano le piccole abitazioni mentre i resti della rocca sono oggi incorporati nei palazzi Azzolino e Alici. Intorno alle mura medievali sorge in epoca successiva il borgo con la grande Piazza Umberto I ,dove si affacciano la parrocchiale di San Giovanni Battista e l'Ex Ospedale Benedetti.
Ad Ovest del castello invece inizia il lungo corso cittadino dedicato a Vittorio Emanuele II con abitazioni otto-novecentesche dove si può ammirare l'interessante palazzo comunale in stile neoromanico, chiude l'elegante strada la facciata della chiesa del Santissimo Sacramento che affiancata dal Teatro Ermete Novelli segna i margini del centro storico.