Durante la época romana se sabe, que tuvo lugar un asentamiento poblacional. Tal parece que los romanos la denominaron con el vocablo Ponciana, cambiándose posteriormente por un compuesto formado por el nombre de su patrona, Santa Eulalia de Mérida (Santa Olalla en gallego) y el afluente del Río guadalquivir, el Río Cala. Otros nombres que la localidad ha ido recibiendo hasta llegar a conformar el actual, han sido Santa Olalla del Carril, Santa Olalla de la Sierra, etc. Según cuenta la tradición, Santa Eulalia nació en esta localidad, siendo posteriormente trasladada a Mérida donde fue quemada viva. Durante la invasión francesa fue Cuartel General de la Zona de Infantería, y en la actualidad aún se conservan algunas piezas de su batería. Existe un monumento dedicado a este acontecimiento. El libro 'Expedientes carcelarios de Santa Olalla del Cala (Huelva). Prisión Provincial, 1936-1939' (Facediciones, 2008), de Juan José Antequera Luengo y Juan José Luengo Jiménez, da cuenta de cuantos vecinos sufrieron prisión durante la guerra civil española. Hasta finales del s. XX perteneció al Arzobispado de Sevilla. Entre sus hijos ilustres se encuentra el fundador de la ciudad de Valencia, el famoso conquistador Alonso Díaz Moreno, así como José Reinoso, casado con una santa olallera, y que ejerció en esta población su oficio de tallista y escultor. Dentro de las letras son famosos en esta localidad Daniel Florido, ilustre poeta fallecido en 1979 en la Línea de la Concepción y Carlos Ros, escritor, filósofo y teólogo de nuestros días, con una considerable e importante bibliografía y estudios sobre María Coronel y Sor Angela de la Cruz.