Mucho después, hacia al IV-III milenio a.C., se desarrolló el fenómeno del megalitismo. En esta zona contamos con ejemplos interesantes, como los menhires de Piedra Alta (San Pedro Samuel), La Buena Moza (Avellanosa del Páramo) o Las Dos Hermanas (Peñahorada), además de los túmulos hallados en Montorio (Chipichape o Tres Municipios), Masa (en La Mesa), Quintanilla-Sobresierra (Alto de Becerril), Cernégula o Ubierna. De cronología más reciente es el túmulo campaniforme de La Brújula, en Fresno de Rodilla.

La Primera Edad del Hierro fue un período de gran importancia en la zona, como demuestran los yacimientos de  La Vega-Ruquera, en San Martín de Ubierna (donde se encontraron interesantes restos cerámicos) y Los Pilones, en la misma localidad. Muy cerca, en La Polera (Ubierna), puede contemplarse un impresionante castro cuya cronología se remonta hasta la II Edad del Hierro, aunque la necrópolis, con más de un centenar de tumbas, correspondería la I Edad del Hierro.

A escasa distancia, en el término de Gredilla, la Cueva de la Polera -una cavidad que forma parte del mismo karst que las cuevas de San Martín- aportó abundantes restos humanos y animales que permiten hablar de una cronología que abarca la I y la II Edad del Hierro. De la misma época es el yacimiento de San Vicente, a la entrada del Desfiladero del Úrbel, cuyos restos cerámicos constituyen el principal legado.

Ya dentro de la fase celtibérica que se desarrolla al final de la II Edad del Hierro, asistimos al nacimiento del importante asentamiento de Páramo Ciudad, en La Nuez de Abajo. En este lugar se hallaron elementos cerámicos, vasos y fíbulas de bronce, además de diverso material tardorromano -hebillas, un aplique, un pasador y un acetre (pequeño recipiente de bronce)- y visigodo. Por su parte, el castro de La Polera nos ha dejado restos de cerámica hechos a mano y a torno, estos ya de la etapa celtibérica, a la que pertenece también la necrópolis de Los Cenizales, situada en Peñahorada.

Mientras que la zona de Ubierna forma parte del territorio poblado por los turmogos antes de la romanización de la Península, La Bureba era tierra de autrigones. En el Alto de Rodilla se situaba Tritium Autrigonium, una de las diez ciudades de este pueblo prerromano, que tuvo continuidad en época romana. Cerca de ella se ubica la necrópolis de Fuentesanz (datada en la I Edad del Hierro).

Las poblaciones actuales surgen a partir de la reconquista de las fortalezas de Burgos, Ubierna y Urbel, a finales del siglo IX, con el consiguiente proceso de repoblación.

La figura de Rodrigo Díaz de Vivar juega un papel destacado en la historia de la zona. A la muerte de Sancho el Mayor y con el posterior reparto entre sus hijos García Sánchez y Fernando de los reinos de Navarra y de León junto con el condado de Castilla respectivamente, este territorio queda dentro de los dominios navarros de García Sánchez. Es tras la batalla de Atapuerca en 1054 cuando Diego Laínez, padre del Cid, recupera definitivamente ambas fortalezas y sus alfoces para el condado de Castilla, transmitiendo al Cid muchas de estas tierras (como se puede comprobar en la carta de Arras del Cid y Doña Jimena).