Sauerthal wurde erstmals 1291 schriftlich als „Surenburn“ erwähnt. In dieser Urkunde verkauften die Grafen von Sponheim Rechte und Güter an den Pfalzgrafen bei Rhein. Der Name bezog sich auf das „saure“ kohlensäurehaltige Quellwasser im Ort; born ist ein alter Begriff für Brunnen. Über beispielsweise „im Suwerthale“ (1419) und „Sawerthal“ (1670) kam es zu dem ab 1787 benutzten heutigen Ortsnamen.

Beginnend 1355 ließ Pfalzgraf Ruprecht die Sauerburg bauen, welche heute über dem eigentlichen Ort liegt. Die Burg kam im 16. Jahrhundert an die Herren von Cronberg, im 17. Jahrhundert an die Brömser von Rüdesheim und die Freiherren von Metternich und 1692 schließlich an die Reichsfreiherren von Sickingen.[Anm. 1] Die neuen Herren ließen den sogenannten Sauerbrunnen im Ort säubern und neu fassen, denn seinem Wasser wurde eine gewisse Heilkraft zugeschrieben. Wann genau die Quelle des schon im frühen Mittelalter bekannten Brunnens gefasst wurde, ist unbekannt.

Nach den Verheerungen, Seuchen und Truppendurchzügen des Dreißigjährigen Krieges (1618-1648) lebten in Sauerthal nur noch knapp acht Familien. 1689 wurden Teile der Sauerburg innerhalb des Pfälzischen Erbfolgekriegs zerstört, darunter auch die Burgkapelle. Für einige Jahre mussten die Einwohner:Innen ein provisorisches Gotteshaus aufsuchen, bis durch Spenden und die finanzielle Hilfe der Sickinger als Inhaber des Kirchenpatronats 1748/50 die noch heute stehende Dorfkirche erbaut werden konnte.

Seit dem 16. Jahrhundert war der Ort seelsorgerisch wechselnd von Weisel, Ransel, Lorch und Kaub aus betreut worden. Das bedeutete, dass ein Pfarrer aus dem gerade zuständigen Ort für Gottesdienste in Sauerthal anreisen musste und die Einwohner:Innen von Sauerthal wiederum auf die jeweiligen Friedhöfe ausweichen mussten, da es keinen eigenen Friedhof in Sauerthal gab. Das sorgte zeitweise für großes Konfliktpotential. Die Sickinger versuchten mehrfach, in Sauerthal eine eigenständige Pfarrei zu errichten, und boten als Ausstattung noch 1818 neben einem Pfarrhaus, Garten und Wiesen auch entsprechende Einkünfte an. Trotzdem konnte nur ein neues Filialverhältnis mit Ransel erreicht werden.

Von 1806 bis 1813 war das Gebiet der Niedergrafschaft unter französischer Verwaltung Napoleons (Pays réservé de Catzenellenbogen). Die Sickinger mussten auf ihre reichsritterlichen Rechte verzichten. Der letzte Nachkomme des Hauses Sickingen, Reichsgraf Franz von Sickingen, blieb unverheiratet und starb 1834 verarmt auf seinem Hof Fronborn, dem heutigen Hof Sauerberg.

Im Wiener Kongress 1815 schließlich wurden Sauerthal und 34 andere Gemeinden dem Herzogtum Nassau einverleibt, welches wiederum im preußisch-österreichischen Krieg 1866 vom Königreich Preußen annektiert worden war. Es war zunächst der Provinz Hessen-Nassau zugeordnet und ab 1885 dem neu gegründeten Kreis Sankt Goarshausen.

Bis zum Anfang des 20. Jahrhunderts war die Einwohnerzahl von Sauerthal auf über 300 angewachsen.[Anm. 2]

Wie genau sich die beiden Weltkriege und der Nationalsozialismus auf den Ort auswirkten, ist noch nicht erforscht. In Sauerthal wurde ein Lager für über 200 Arbeiter des Reichsarbeiterdienstes (RAD) eingerichtet. Dieses wurde zeitweise auch als Schulungslager für die Hitlerjugend-Organisationen der Umgebung genutzt. Nach der Befreiung durch amerikanische Truppen am 26./27. März 1945 lag Sauerthal in der französischen Besatzungszone.

Seit 1946 gehört Sauerthal zum neugegründeten Bundesland Rheinland-Pfalz und seit 1972 zur Verbandsgemeinde Loreley.

Der Schieferabbau in Sauerthal ist seit 1505 nachweisbar und war seit jeher ein wichtiger Wirtschaftszweig für die Einwohner:Innen. Zeitweise waren vier Gruben gleichzeitig in Betrieb. Die letzte Schiefergrube wurde 1953 geschlossen, da sie unrentabel geworden war. Das 1930 eingerichtete Mahlwerk für Schiefermehl stellte 1975 die Produktion ein. Unter anderen durch den Wegfall dieses Arbeitsplatzes verzeichnet Sauerthal seit den 1980er-Jahren einen steten Bevölkerungsrückgang, da besonders junge Leute in größere Städte ziehen.[Anm. 3]