Die Burg geht auf eine Gründung der Erzbischöfe von Köln zurück, die durch eine Schenkung des Reichsoberhaupts umfangreichen Grundbesitz im so genannten Viertälergebiet (vgl. Bacharach, Burg Stahleck, Burg Fürstenberg) erhalten hatten. Zusammen mit der 1219 von dem Kölner Erzbischof Engelbert von Berg erbauten Burg Fürstenberg gelangte die Burg Stahlberg spätestens im Jahr 1243 als Lehen an die rheinischen Pfalzgrafen, die das Viertälergebiet schließlich ihrem Territorium einverleiben konnten. Im 14. Jahrhundert teilte Stahlberg das Schicksal der übrigen Orte und Burgen im Viertälergebiet und verblieb von 1317 bis 1353 im Pfandbesitz des Trierer Erzbischofs Balduin von Luxemburg.

Später wurde Burg Stahlberg dem kurpfälzischen Amt Bacharch einverleibt. Die Verwaltung der Burg oblag dem als Burggrafen fungierenden Niederadeligen Knebel von Katzenelnbogen.
Die Burgkapelle St. Peter lässt sich in den Schriftquellen für das Jahr 1371 nachweisen. Wenig bekannt war bislang, dass Burg Stahlberg im späten 14. Jahrhundert häufiger vom Pfalzgrafen Ruprecht I. aufgesucht wurde. In einem 1439 erstellten Verzeichnis der Armierung der landesherrlichen Befestigungen im kurpfälzischen Oberamt Bacharach ist belegt, dass Stahlberg zu diesem Zeitpunkt noch mit einer ausreichenden Zahl von Feuerwaffen und Armbrüsten ausgestattet war.
Im Zusammenhang mit den Erbauseinander-setzungen im Hause Wittelsbach, in die auch die Landgrafen von Hessen als Erben der Grafen von Katzenelnbogen verwickelt waren (vgl. 1504 die vergebliche Belagerung von Kaub durch die Landgrafen), wurde Stahlberg 1504 instandgesetzt. Bis 1611 oblag die Verwaltung der Befestigungen im Amt Bacharach und somit auch die der Burg Stahlberg dem zuständigen Büchsenmeister in Bacharach. Hinweise auf eine Beschädigung oder Zerstörung Stahlbergs im Dreißigjährigen Krieg, in dessen Verlauf 1632 Bacharach von schwedischen Truppen heimgesucht wurde, fehlen. Die Burgkapelle wird letztmalig 1620 genannt. In einer 1678 datierten Amtsbeschreibung ist von dem verfallenen "Haus" Stahlberg die Rede.
1910 ging die im 19. Jahrhundert  von Wiederaufbaubestrebungen verschont gebliebene Burgruine an den den Rheinischen Verein für Denkmalpflege und Landschaftsschutz über, der 1912, 1930/31, 1967 und 1980 kleinräumige Instandsetzungen vornehmen ließ.
2004 wurde eine grundlegende bauhistorische Untersuchung und Sanierung der Burg eingeleitet, deren Ergebnisse wesentlich zur Klärung der Baugeschichte beigetragen haben.