A causa del Le invasioni barbariche ed il dominio dei Longobardi, causarono un profondo cambiamento del sistema economico di Santarcangelo. Nonostante le profonde mutazioni, continua comunque a mantenersi centro civile e, con l'avvento del Cristianesimo, religioso.
Già dal 1037 è dimostrata l’esistenza di una Castrum Sancti Arcangeli e sempre a quest'epoca risale la primaria cinta muraria, quella visibile nei pressi della Antica Porta del Campanone Vecchio.
Nella seconda metà dell'XIII secolo il Castello di Santarcangelo è sottomesso a Rimini; ed è sempre in questo spazio di tempo che Santarcangelo inizia a allacciare rapporti con i Malatesta.

Nel XIV secolo ne assodano il proprio potere attraverso Carlo Malatesta. Quest’ultimo provvede a costruire la nuova Rocca nel 1386 ed il suo successore, Sigismondo Malatesta, ingrandisce l’edificio e provvede a fare costruire una nuova linea esterna di mura nel 1447. Oltre ad un periodo di grande sviluppo urbanistico, sotto i Malatesta ha luogo una grande crescita dell'economia, in particolar modo dell'agricoltura e del commercio attraverso le numerose ed rilevanti fiere.
Nel 1462 i Montefeltro riescono ad impossessarsi del Castello. Cesare Borgia detto il Valentino, fu padrone di Santarcangelo dal 1500 al 1503.