I conti di Montedoglio, eredi di Goffredo d'Ildebrando, governano per lungo tempo il borgo di Pieve Santo Stefano, richiamando la popolazione limitrofa a stabilirsi in quelle zone attraverso la concessione di benefici e privilegi, costruendo una cinta muraria ed erigendo anche una chiesa cittadina, visto che la pieve dalla quale l'attuale comune ha preso il nome sorge fuori porta.

Nel XIII secolo la città è ormai oggetto delle mire espansionistiche guelfe, in particolar modo di quelle di Firenze e Perugia, tanto da costringere l'imperatore Federico II a porla sotto la sua diretta protezione. A questa situazione si aggiungono le continue incursioni degli Aretini e degli abati biturgensi, provenienti da Sansepolcro, che costringono infine Pieve a porsi sotto il dominio del Comune di Arezzo, nel 1255. Tuttavia, la plateale mancanza di protezione militare contro le scorribande dei Fiorentini, induce i Pievani a chiamare in loro soccorso il vescovado aretino. Questi sarà la garanzia di difesa del nuovo libero comune dall'alleanza tra Sansepolcro e Perugia di fine secolo.
Il Trecento pievano è contrassegnato dall'aspra guerra tra guelfi e ghibellini. Di quest'ultima fazione fa parte, un po' paradossalmente, il vescovo aretino Guido Tarlati, inviso al Papa, ma appoggiato dall'Imperatore. Tarlati nel 1318 occupa Pieve e ne fa capoluogo del viscontado della Val di Verona. La sua esuberanza, che lo porta a conquistare perfino Città di Castello, viene contrastata da una lega guelfa. Nel 1337 il vescovo guerriero viene sconfitto e i suoi territori spartiti tra Firenze e Perugia, che si annette così Pieve. Dopo una ribellione dei Pievani la città torna ad Arezzo, nel 1359, ormai dominato dalla Repubblica Fiorentina, cui Pieve si sottomette formalmente nel 1385 allo scopo di liberarsi definitivamente della battaglie tra signorie feudali.
Pieve diventa così capoluogo della podesteria della Val di Verona, a sua volta inserita nel vicariato di Anghiari. Con l'avvento dei Medici si avvia un'epoca di splendore che lascia i suoi segni anche a Pieve, ingrandita ed arricchita da palazzi rinascimentali, una nuova cerchia muraria e la fontana vicino a Palazzo pretorio, fregiata dalle belle ceramiche dei Della Robbia. Il nuovo castello viene preso d'assalto dalle truppe imperiali dei Lanzichenecchi nel 1527, ma riesce a resistere al micidiale urto delle armate tedesche, respingendole. Nel 1545 Pieve diventa anche capoluogo di vicariato.
L'epoca di splendore della città è interrotta dalla terribile pestilenza che, nel Seicento, coinvolge tutta la penisola italiana. Nel 1631, per ben tre mesi il morbo mortale flagella la zona di Pieve. Il popolo pievese si rivolge allora alla Madonna dei Lumi, chiedendo alla santa la grazia. Per fare questo si recano al santuario costruito in suo onore nel 1589. L'edificazione del santuario era avvenuta all'indomani della miracolosa processione di angeli, visti rendere omaggio un'icona della Madonna, dipinta nel Quattrocento, che da allora era diventata oggetto di culto e dispensatore di miracoli. La peste si placa prodigiosamente e da allora, ogni 8 settembre il paese celebra la natività di Maria in suo onore.
Nel 1838 si estingue il vicariato di Pieve, inglobato da quello di San Sepolcro. Negli anni successivi si avviano i lavori di rifacimento della Collegiata, in modo che possa migliorare la sua capienza. La città ha infatti superato i 4000 abitanti. Purtroppo una piena dell'Arno, nel 1855, ed una nuova epidemia, questa volta di colera, tornano a minacciare il benessere del comune. Con la fuga dalla Toscana del Granduca Leopoldo II, a seguito dei moti risorgimentali, Pieve Santo Stefano entra a far parte del neonato Regno d'Italia, nel 1860.