Las primeras menciones conocidas sobre Olazagutía datan del siglo XIII pero su territorio estuvo poblado mucho tiempo atrás.
Los primeros restos de presencia humana se encontraron en el yacimiento paleontológico y arqueológico de Koskobilo, descubierto en el año 1940 en los desmontes de la cantera del mismo nombre. Por la tipología de las piezas allí encontradas se desprende su atribución al Paleolítico Medio y Superior. Este yacimiento, destruido por la actividad de la cantera, representaba la secuencia más completa del Paleolítico Superior inicial en Navarra.
Entre el material lítico allí encontrado son destacables bifaces, raederas, raspadores, buriles, perforadores, cuchillos de dorso y rasquetas. Muchos de ellos se pueden observar en el Museo de Navarra.
Es también destacable por su interés la cueva de Andramango Leze que se situaba en el monte Aldoiar o Alduia. Allí, José Miguel de Barandiaran encontró en 1974 restos cerámicos clasificados como bronce avanzado.
Por Olazagutía discurría la calzada romana construida para unir Burdeos con Astorga. En las inmediaciones de la antigua ermita de Nuestra Señora de Belén se encontraron dos medias estelas de época romana.
Dicha calzada fue utilizada siglos más tarde por los peregrinos que realizaban la ruta jacobea antes de que se potenciara la ruta por Estella y La Rioja. Testigo de ello son los escudos medievales encontrados en la localidad, relativos al hospital o albergue para peregrinos.
A partir de 1200 Olazagutía se convirtió en zona fronteriza al pasar Álava y Guipúzcoa a manos del Reino de Castilla. El rey navarro Sancho el Fuerte otorgó al Valle de la Burunda el Fuero de Logroño-Laguardia con objeto de fortalecer la población y la economía de las pequeñas aldeas que lo conformaban.
En el siglo XIV, el valle de la Burunda fue lugar de realengo. Debido a su proximidad a la frontera castellana de Álava y ante el consiguiente peligro de ataques, el infante Luis, gobernador del reino y hermano del rey Carlos II el Malo, proyectó concentrar en dos núcleos fortificados a la población diseminada en las diferentes aldeas de la Burunda. Uno de estos núcleos se ubicaría en Olazagutía, llamándose Villadefensa, y agruparía a los vecinos de Alsasua, Ulaiar y Ziordia. Las obras de amurallamiento comenzaron en 1366 pero finalmente el proyecto fracasó.
Olazagutía fue un concejo integrado en el municipio de Burunda hasta su segregación y creación del Ayuntamiento, hecho que sucedió en el año 1846.
La población de Olazagutía se dedicó a lo largo de los siglos a la agricultura, la ganadería y la explotación forestal. El cambio llegó durante la segunda mitad del siglo XIX y la primera del XX, cuando Olazagutía se desarrolló de forma notable, tanto por la llegada del ferrocarril como por la aparición de las primeras industrias. La instalación de la empresa maderera de Juan Echávarri inició un proceso de industrialización que no ha parado hasta nuestros días. Dicha empresa abasteció de traviesas a todas las líneas ferroviarias del norte peninsular. La inauguración de la fábrica de Cementos Portland, en el año 1903, consagró definitivamente el carácter industrial del pueblo.