Montonvillers est cité dans les textes depuis le 12e siècle (Multumvilla, 1156, et sous sa forme française, Motonviller, 1301). C'était au Moyen Age le siège d'une seigneurie, dont les détenteurs sont assez mal connus avant le 15e siècle, mais qui passa en 1541 à la puissante famille de Lameth (également seigneurs d'Hénencourt) puis à celle de Monsures (1656).

Le château actuel fut entièrement reconstruit au 19e siècle, mais sur le site de l'ancien manoir, dont demeure notamment le parc. La disposition générale de Montonvillers est assez comparable à celle du village voisin, Bertangles : près du château s'élève une église de dimensions assez modestes, dont l'histoire est intimement liée à celle des châtelains, depuis le 16e siècle (époque de construction de l'église) jusqu'au 19e siècle (avec la réfection de la façade). Mais la paroisse de Montonvillers se distingue dès l'Ancien Régime par ses faibles dimensions : le curé percevait la dîme sur tout le territoire, qui était très exigu. Bien que la population de Montonvillers (125 habitants) soit comparable à celle de Bertangles (155 habitants) en 1698, on note tout au long du 18e siècle une stagnation, le village comptant toujours une centaine d'habitants en 1772, date à laquelle on en recense plus de 200 à Bertangles. La situation démographique ne s'améliore guère au 19e siècle : après une époque d'accroissement dans la première moitié du siècle, survient l'exode rural qui touche notamment les manouvriers fabriquant le coton. En 1866, la commune avait 166 habitants, pour la plupart fort misérables. Cette faiblesse démographique qui se perpétue jusqu'à nos jours explique la petitesse du village, concentré sur une seule rue. Par ailleurs les bâtiments liés à des activités économiques encore vivantes au 19e siècle ont désormais disparu, tels les réchauffoirs de lin mentionnés lors des incendies (ainsi en 1880, celui de Gédéon Forbras), ou le moulin jadis visible près de la route de Vignacourt à Hérissart.