La ville doit son origine à un petit monastère construit au VIe siècle dont la chapelle est dédiée à saint Martin. La ville est alors divisée en trois paroisses : Saint-Nicolas sur la rive droite de la Seine, Saint-Maurice entre Seine et Yonne et Saint-Loup sur la rive gauche.
En 1026, Raynard, comte de Sens, construit, sur la pointe formée par la Seine et l'Yonne, un château pour rançonner les marchands qui descendent ces deux rivières. Ainsi est établie la seigneurie de Montereau.
Au XIIIe siècle, Thibaut, comte de Champagne, s'étant révolté contre lui, Saint Louis, le roi de France, punit son vassal en le forçant à lui céder Montereau, qu'il réunit alors à son domaine.
Le 10 septembre 1419, Jean sans peur est assassiné sur le pont de Montereau. Cet acte a pour but d'empêcher un rapprochement du Dauphin avec le parti bourguignon. Le 23 juin 1420, Philippe le Bon, fils et successeur du duc assassiné, reprend la ville avec l'aide du roi d'Angleterre, Henri V, pour récupérer la dépouille de son père enterré huit mois plus tôt dans l'église Notre-Dame de Montereau. La ville fut reprise par Charles VII en 1428.

Le 18 février 1814, Montereau est le lieu d'une des dernières victoires de Napoléon contre les Autrichiens. En 1815, entre cinq et six mille Bavarois campèrent sous les murs de la ville et pillèrent quelques habitations des environs.

L'ancienne collégiale fondée en 1195 et dédiée à la Vierge, honorait déjà, dans une de ses chapelles, Saint Loup, patron de la paroisse. Elle est devenue en 1772 église Notre-Dame et St Loup. Cet édifice a reçu l'apport de chaque siècle :

au 12e siècle, le soubassement de la tour nord et les piliers qui la soutiennent.
au 13e siècle, les chapelles de l'abside et la base des piliers de la grande nef
au 14e siècle, les colonnes fasciculées de la nef et les chapelles latérales nord.
au 15e siècle, les chapelles latérales sud.
au 16e siècle, la tour sud, les contreforts de l'abside et le portail.

Saint Bernard fut reçu dans cette église et Jean-Sans-Peur y fut enterré provisoirement après avoir été tué sur le pont de Montereau en 1419. Marie Leczinska s'y arrêta en 1725 avant son mariage avec Louis XV à Fontainebleau.

Les guerres de religion, la révolution, la campagne napoléonnienne de 1814 et les bombardements de 1940 la mutilèrent tour à tour.