Il faut attendre le XIe siècle et l’arrivée de la famille des Monteil pour réunifier la ville. Un siècle plus tard, le seigneur Adhémar de Monteil se fait alors construire un château fortifié au Bois de Laud. On nommera sa résidence MONTELIUM ADHEMARI (le petit mont d’Adhémar), en référence à la colline où elle a été édifiée. En 1328, le nom de « Montelilmart » est officiellement adopté, qui se transformera au fil du temps en « Montélimar ».

Mais des conflits font rapidement perdre leur autonomie aux seigneurs des Adhémar. De 1340 à 1383, les droits sur la ville sont rachetés par la papauté, faisant de Montélimar la propriété des papes.

Au XVe siècle, la ville est rattachée à la Couronne de France. Favorite du roi Henri II, Diane de Poitiers s’installe à Montélimar en 1549. La richissime duchesse habite une belle demeure familiale aujourd’hui appelée Maison Diane de Poitiers, et qui reste l’un des vestiges phares du centre-ville actuel.

La Réforme, instituée en réaction aux abus de l’Eglise catholique depuis le Moyen-Âge, marque également le renouveau de la foi et des pratiques chrétiennes, donnant naissance au protestantisme. Prêché dans le Dauphiné par Guillaume Farel, son culte rencontre en Drôme-Ardèche un écho particulièrement favorable. Dès 1560, l’Église Réformée de Montélimar est instaurée. Commencent alors les tragiques guerres de religion durant lesquelles Catholiques et Protestants se disputent la possession de la ville. Ce n’est qu’avec la promulgation de l’Édit de Nantes en 1598 par le roi Henri IV que ces derniers recouvrent le droit de célébrer leur culte et de construire leurs propres édifices. De 1599 à 1604, le temple protestant de Montélimar est ainsi édifié. Cette période restera comme la plus riche de l’histoire de la ville : Montélimar devient alors un centre religieux qui rayonne dans tout le Dauphiné.

Mais, les guerres incessantes menées par Louis XIV au XVIIe siècle marquent la reprise des troubles dans la région. En révoquant l’Édit de Nantes en 1685, le souverain de France plonge le protestantisme dans un siècle de répression. La ville se vide alors de près de la moitié de ses habitants et ses artisans les plus habiles fuient les persécutions. L’image de Montélimar devient celle d’une cité emmurée dont les accès sont strictement surveillés, dotée d’une imposante prison transformée plus tard en garnison militaire (la caserne Saint-Martin). La Porte Saint-Martin, bâtie en 1762-1763 sous Louis XV, est aujourd’hui le dernier témoin de cette période d’austérité. Il faudra attendre le début du XVIIIe siècle et l’apaisement des tensions religieuses pour voir la ville sortir de l’isolationnisme et redevenir un centre d’attractions régional.
Cela correspond également à l’essor du nougat, mélange de miel et d’amande. Au XVIIe siècle, l’introduction d’amandiers dans la région montilienne par Olivier de Serre marque les débuts de sa fabrication. L’offrande abondante de la friandise à chaque passage d’un prince fera beaucoup pour sa renommée à travers le pays. Dès lors, Montélimar se spécialise dans la production du nougat, qui devient vite indissociable de son lieu d’origine.

Au XVIIIe siècle, Montélimar se transforme en ville de négoce et développe une activité économique singulière : l’élevage du ver à soie, la filature et le commerce de la soie. La Révolution de 1789 qui suit se déroule dans le calme et la ville accueille avec faveur les idées nouvelles. Sa position géographique favorable stimule le commerce grâce aux voies de transport routier et fluvial, faisant de Montélimar une ville importante de la région. Lors de la constitution des départements par l’Assemblée Constituante en 1790, elle se porte candidate avec Valence et Crest pour devenir le chef-lieu du nouveau département de la Drôme, mais n’obtient que la sous-préfecture. Après la chute de la royauté en 1792, le pays de Montélimar est, à l’instar du midi de la France, le théâtre de violences, de règlements de compte et de vengeances. Les brigands, souvent d’anciens déserteurs, sèmeront ainsi la terreur jusqu’en 1824.

Au XIXe siècle, l’économie montilienne ne tire pas profit de la Révolution Industrielle, encore largement agricole après 1850. De même, la construction en 1854-1855 de l’axe de chemin de fer nord-sud Lyon-Valence-Avignon ne modifie pas en profondeur le paysage industriel local, dont les activités les plus importantes restent la chapellerie et la soie.
Néanmoins, c’est une époque où Montélimar s’ouvre et s’agrandit : on démolit les remparts (dont seule la Porte Saint-Martin, bâtie en 1762-1763, a été conservé) ; des nouveaux quartiers apparaissent au sud de la ville (Aygu). En 1877, Montélimar compte 12.000 habitants.

Au début du XXe siècle, Montélimar apparaît sur le devant de la scène politique nationale grâce à son maire de l’époque, Émile Loubet, qui est élu Président de la République en 1899. Républicain pragmatique, Émile Loubet acquiert vite une réputation « d’administrateur éclairé, actif et profondément désintéressé ». En accédant à la présidence de la République, il couronne une carrière politique au cours de laquelle il aura successivement occupé tous les mandats et postes qu’offre le régime républicain. Maire de Montélimar de 1870 à 1899, élu député en 1876, Émile Loubet siège auprès de la gauche républicaine et participe aux votes des principales lois sur les libertés publiques : liberté de presse, liberté de réunion, liberté d’association (loi 1901), grandes lois scolaires (loi sur la laïcité 1905). Il occupera le fauteuil présidentiel jusqu’en 1906.

Au XXe siècle, Montélimar n’est pas épargnée par les conflits mondiaux. La Première Guerre Mondiale engendre un double traumatisme : les soldats morts au combat (le monument aux morts de la ville fait état de 400 noms) et la chute de l’industrie de la soie, qui va s’accélérer durant l’entre-deux guerres. Pendant la guerre de 39-45, la Drôme devient un haut lieu de la Résistance, dont les montagnes du Vercors abriteront l’un des foyers les plus actifs. Après une bataille qui fait rage du 21 au 28 août 1944 dans les rues montiliennes, la ville est finalement libérée par les Américains.