Tereny gminy Nowa Sarzyna od niepamiętnych czasów porastała prastara puszcza, nazwana później Sandomierską. Pierwsze ślady osadnictwa na piaszczystych brzegach Sanu pochodzą już z okresu neolitu (4500 p.n.e.). Była to koczownicza ludność myśliwska, posługującą się głównie łukiem. Później, w okresie brązu, teren zamieszkiwali Prasłowianie związani z tzw. grupą tarnobrzeską kultury łużyckiej. Znalezione w Leżajsku monety z okresu wpływów kultury rzymskiej, świadczą o przebiegającym tędy szlaku handlowym. W okresie tzw. wędrówki ludów, czyli przemieszczania się plemion Germanów, Hunów i Awarów (IV - VI w. n.e.), nastąpił zastój w osadnictwie, a nawet opuszczanie przez ludność doliny Sanu.

Znaczne ożywienie osadnictwa na terenie południowo - wschodnich krańców Puszczy Sandomierskiej nastąpiło dopiero w wiekach XIV i XV, kiedy to wodny szlak handlowy, jakim był wówczas San, zaczął przyciągać osadników z Ziemi Sandomierskiej, Śląska, Mazowsza i Wołoszczyzny. Rdzennymi mieszkańcami tych terenów była wówczas ludność pochodzenia ruskiego. Obszar puszczy stanowił naturalną granicą między Polską i Rusią, o którą toczono liczne spory i utarczki.

Względny spokój zapanował tu dopiero w 1340 r., kiedy to Kazimierz Wielki przyłączył do Polski Ruś Halicką. Obszary puszczańskie stały się dobrami królewskimi, na których rozpoczęto akcję lokowania nowych osad służebnych na prawie niemieckim. Jedną z nich była Sarzyna – lokowana w 1390 r. Według legendy wieś utworzyło 24 gospodarzy, z których każdy musiał wykarczować i uprawiać 100 morgów lasu. Od 1433 r. wieś weszła w dzierżawę wojewody sandomierskiego Spytka z Tarnowa i Jarosławia herbu Leliwa, a następnie jego potomków.

Położenie wsi w głębokiej puszczy miało decydujący wpływ na zajęcia ludności, która zajmowała się głównie wyrębem lasu, bartnictwem i zbieractwem, stopniowo wprowadzając uprawę wydartych puszczy pól. Rozległe obszary Puszczy Sandomierskiej, bogate były we wszelkie dobra leśne, w tym dziką zwierzynę, na którą w 1397 i 1410 roku polował król Władysław Jagiełło. W roku 1565 na terenie ówczesnego przysiółka Sarzyny, a dzisiejszej Rudy Łańcuckiej rozpoczęto wytop żelaza z występujących tu obficie rud darniowych.

W roku 1595 r. został wybudowany w Sarzynie pierwszy kościół, a 3 lata później utworzono parafię rzymskokatolicką.

Wieki XVI i XVII przyniosły plagę najazdów. Pierwszym z najpoważniejszych był najazd Tatarów z 1524 roku, kiedy to Leżajsk i okoliczne miejscowości zostały zrównane z ziemią. W początkach XVII w. doszło do konfliktu zbrojnego pomiędzy panem na Łańcucie Stanisławem Stadnickim, zwanym „diabłem łańcuckim”, a starostą leżajskim Łukaszem Opalińskim. W wyniku zaciętych walk Leżajsk ponownie został spalony, a chłopi z Sarzyny przez 2 lata nie mogli pod karą śmierci obsiewać pól. Po zakończeniu wojny magnackiej na tereny starostwa w 1624 r. spadł kolejny atak Tatarów, a w latach 1655-56 dwukrotnie przeszły tędy wojska Karola Gustawa. Podczas drugiego przemarszu doszło w okolicy Sarzyny do bitwy, w której licznie brali udział chłopi z tej i innych miejscowości, zadając Szwedom dotkliwe straty. Niestety w następnym roku teren starostwa zaatakowały wojska węgierskie pod dowództwem Stefana Rakoczego, zaś w roku 1702 nastąpił ponowny najazd Szwedów. Wymienione konflikty zrujnowały gospodarkę i przyczyniły się do upadku okolicznych terenów.

Już po pierwszym rozbiorze z roku 1772 obszar Sarzyny, znalazł się w rękach Austriaków, którzy prowadzili systematyczną politykę kolonizacyjną, wykupując ziemię od zubożałych Polaków. Powstały wówczas liczne kolonie niemieckie m. in. Konigsberg w Woli Zarczyckiej, Niemcy w Łukowej, Hirsbach w Jelnej.

Od 1835 r. proboszczem parafii w Sarzynie był ksiądz Marceli Śleczkowski - postać niezwykle ciekawa. Był on członkiem Towarzystwa Literackiego w Krakowie. Piastował także godności: kanonika Kapituły Krakowskiej, Penitencjariusza Papieskiego. Był postulatorem kanonizacji św. Józefa Kuncewicza - kanonika przemyskiego. Ksiądz Śleczkowski posiadał również nadany przez papieża przywilej udzielania odpustów oraz błogosławieństwa papieskiego. W związku z tym do Sarzyny przybywały liczne pielgrzymki wiernych z sąsiednich i dalszych parafii.

W 1840 roku pobliską Łętownię nabył baron Wilhelm Hompesch, austriacki magnat. Po jego śmierci, włości przejął jego syn Ferdynand. Przedsiębiorczy magnat był inicjatorem budowy linii kolejowej z Rozwadowa do Przeworska. Z jego inicjatywy we wsi rozpowszechniło się koszykarstwo. Linię kolejową na trasie Rozwadów – Przeworsk Austriacy oddali do użytku ostatecznie w 1900 roku.

Zakończenie I wojny światowej przyniosło długo oczekiwaną niepodległość, ale stało się to kosztem ogromnych strat. Położona w pobliżu granicy zaborów Sarzyna, znalazła się w centrum walk. Wieś przechodziła z rąk do rąk, ciągle będąc pod ostrzałem. Po niemal roku drobnych starć, Rosjanie postanowili zaatakować w dniu 16 maja 1915 roku. Natarcie utknęło jednak w krzyżowym ogniu artylerii austriackiej. Rosjanie, tracąc dużą liczbę żołnierzy, zostali zmuszeni do wycofania się. W wyniku kilkudniowej bitwy Sarzynę strawił ogromny pożar, a większość ludności ewakuowano do pobliskich miejscowości. Ostatnim akcentem wojny w Sarzynie było rozbrojenie przez chłopów posterunku żandarmerii stacjonującego na terenie Rudy Łańcuckiej oraz obsadzenie poczty i stacji kolejowej. Miało to miejsce 2 listopada 1918 roku.

Po odzyskaniu niepodległości mieszkańcy Sarzyny i pobliskich miejscowości borykali się z wieloma trudnościami. Mało urodzajne ziemie nie wydawały dużych plonów, dlatego na szerszą skalę rozwinęło się koszykarstwo. Bardziej dynamiczny rozwój okolic Sarzyny nastąpił dopiero od 1937 r., kiedy to ówczesne Ministerstwo Spraw Wojskowych podjęło decyzję o budowie zakładów chemicznych, mających produkować nitrozwiązki. Fabryka miała być jednym z wielu zakładów przemysłowych, które powstały na terenie województw: lwowskiego, lubelskiego, krakowskiego i kieleckiego w ramach Centralnego Okręgu Przemysłowego. Inicjatorem i twórcą COP-u był ówczesny wiceminister inż. Eugeniusz Kwiatkowski, zaś celem odbudowa i rozbudowa potencjału ekonomicznego odrodzonego państwa. Fabryka w Sarzynie rosła w bardzo szybkim tempie, zatrudniono tu wielu specjalistów przybyłych z całego budowę osiedla mieszkaniowego - zalążka dzisiejszego miasta. W 1939 roku stały już budynki fabryczne, rozpoczął się montaż instalacji i aparatury chemicznej.

Niestety krótki okres rozwoju regionu przerwał wybuch II wojny światowej. W dniu 13 września 1939 roku wojska niemieckie wkroczyły do zakładu. Nastąpił natychmiastowy demontaż urządzeń, wywiezionych następnie w głąb Rzeszy. W pustych budynkach okupanci zorganizowali magazyn broni i amunicji, zmuszając okoliczną ludność do przymusowej pracy. Odmówienie pracy karane było śmiercią, czego przykładem jest fakt rozstrzelania z tego powodu pięciu mieszkańców Sarzyny.

W czasie okupacji w Sarzynie i Woli Zarczyckiej w krótkim czasie powstały oddziały Armii Krajowej. Jan Siudak z Łętowni ps. „Zatorski” rozpoczął organizować regularny ruch oporu, tworząc placówkę nr 8 podległą łańcuckiemu obwodowi AK, w skład którego weszły dwa plutony. W tym czasie powstał również pluton Batalionów Chłopskich pod dowództwem Antoniego Łoina ps. „Zacierka”. Ich celem było m. in. zdobywanie broni i amunicji z magazynów. Później część z niej została wykorzystana przez uczestników Powstania Warszawskiego. W odwecie za akcje partyzantów, Niemcy w dniu 20 czerwca 1943 roku dokonali pacyfikacji Woli Zarczyckiej. Rozstrzelali wówczas 76 osób, zaś 36 mieszkańców wsi wywieźli do obozów koncentracyjnych. Po wojnie Wola Zarczycka odznaczona została Krzyżem Grunwaldu, a w miejscu egzekucji postawiono pomnik.

Okupacja oraz działania wojenne spowodowały na terenie fabryki ogromne straty. Zniszczeniu uległa elektrownia, budynki produkcyjne i mieszkalne, spaliło się 50 ha lasu. 22 lipca 1944 roku do zakładu wkroczyli Rosjanie. Nie zastali tu broni i amunicji, gdyż ta została wcześniej przez Niemców wywieziona. Oczyszczaniem terenu fabryki z min i resztek amunicji zajęli się żołnierze Wojska Polskiego. Następnie zarząd objęły Zakłady Chemiczne Boruta w Zgierzu - jeden z głównych przedwojennych udziałowców inwestycji.

Rozpoczął się okres intensywnej odbudowy zakładu i budowy dwóch osiedli mieszkaniowych. Pierwszym samodzielnym dyrektorem fabryki został mgr inż. Stanisław Opałko. Uruchomienie pierwszej produkcji - wyrobów dla fotochemii miało miejsce w 1954 roku. W latach 1955 - 1960 zakłady rozpoczęły wytwarzanie nitrozwiązków i tworzyw sztucznych m. in. polistyrenu i nowolaków. W latach następnych uruchomiono produkcję Chwastoksu - pierwszego rodzimego środka ochrony roślin, żywic epoksydowych i poliestrowych, a także wyrobów silikonowych, które były wówczas nowością na polskim rynku.

W latach osiemdziesiątych nastąpił ogromny rozwój produkcji środków ochrony roślin, żywic epoksydowych i poliestrowych, a także wyrobów silikonowych. Opracowano wówczas i wdrożono wiele nowych technologii na preparaty krajowe, zaś dyrektor naczelny mgr inż. Władysław Piłat nawiązał współpracę ze znanymi w świecie firmami branży chemicznej. Dzięki temu zakłady rozpoczęły produkcję preparatów opartych o nowoczesne zachodnie technologie. Dało to duże możliwości dalszego rozwoju - zakłady stały się największym w kraju producentem środków ochrony roślin. W grudniu 2006 Zakłady Chemiczne „Organika-Sarzyna” weszły w skład Grupy Kapitałowej „Ciech”.

Równocześnie z zakładami rosły osiedla mieszkaniowe; oprócz domów mieszkalnych powstawała infrastruktura - wszystko co potrzebne było do życia mieszkańców: sklepy, przedszkola, żłobek, przychodnie, szkoły, obiekty sportowe i kulturalne. Z początkiem 1973 r. Nowa Sarzyna otrzymała prawa miejskie i stała się centralnym ośrodkiem gminy. W roku 1976 w wyniku reformy administracyjnej do terenu miasta i gminy dołączono sołectwa Łętownia i Wola Zarczycka. Intensywny rozwój miasta potwierdziły: wyróżnienie uzyskane w 1984 r. w konkursie Mistrz Gospodarności i nagroda w wysokości 4,5 mln zł, co stanowiło wówczas kwotę niebagatelną.

W roku 1990 drogą pierwszych wolnych wyborów mieszkańcy miasta powołali samorząd terytorialny, na czele którego stanął Jan Krauz. Burmistrzem Miasta i Gminy został Jan Kida, sprawujący urząd do grudnia 2006. W latach 2006-2010 funkcję tę pełnił Robert Gnatek.

Gmina rozbudowuje się w szybkim tempie, korzystając również z funduszy unijnych.  Wybudowano wodociągi i gazociągi, a także urządzenia kanalizacyjne. Na jesieni 2004 roku oddano do użytku największe inwestycje budowlane ostatnich lat: szkołę podstawową w Jelnej i kompleks sportowy Miejskiego Ośrodka Sportu i Rekreacji.
W 2008 roku spółka Panorama, która zapewnia mieszkańcom podstawową opiekę medyczną, wybudowała nową przychodnię. Opuszczone pomieszczenia przy ul. 1 Maja 4 zostały wyremontowane i przeznaczone dla instytucji i stowarzyszeń, takich jak Lokalna Telewizja Kablowa, Klub Honorowych Dawców Krwi, PTTK, Związek Nauczycielstwa Polskiego i Klub Seniora. W tym samym roku powołano do życia wspólnoty mieszkaniowe.
W 2010 r. zakończono termomodernizację Urzędu Miasta i Gminy oraz szkół i przedszkoli z terenu całej gminy. Oddano do użytku nowy budynek Domu Kultury w Sarzynie. W grudniu tego samego roku funkcję Burmistrza Miasta i Gminy Nowa Sarzyna objął Jerzy Paul.

W 2011 roku oddano do użytku nowy lokal Miejskiej i Gminnej Biblioteki Publicznej, dostosowany do posiadanego księgozbioru, z dostępem dla osób niepełnosprawnych. Siedzibę zmienił też Miejsko-Gminny Ośrodek Pomocy Społecznej, który przeniesiono do wyremontowanego budynku przy ul. Łukasiewicza. Obecnie znajduje się tam również Niepubliczny Ośrodek Rewalidacyjno-Wychowawczy, umożliwiający realizację obowiązku szkolnego przez dzieci upośledzone umysłowo. Wyremontowano budynek Domu Kultury i remizy strażackiej w Jelnej.

W lutym 2012 roku miało miejsce otwarcie sali gimnastycznej wraz z czterema salami lekcyjnymi przy budynku Gimnazjum w Łętowni - Sołectwo Majdan Łętowski. W połowie 2012 r. zakończono prace przy uzbrojeniu terenów produkcyjno-usługowych "Sarzyna-Dymarki". Łączna powierzchnia terenów pod inwestycje to obszar 36 hektarów. Od września 2012 r. młodzież pobiera naukę w nowym budynku Gimnazjum w Nowej Sarzynie. W szkole oprócz sal lekcyjnych i pracowni znajduje się przestronna aula, biblioteka, stołówka, szatnie oraz winda dla osób niepełnosprawnych. W tym samym roku w Zakładach Chemicznych "Organika-Sarzyna" uruchomiono jedną z najnowocześniejszych na świecie instalacji do produkcji substancji MCPA i MCPP-P, stanowiących bazę do wytwarzania nowej generacji środków ochrony roślin. Przy Szkole Podstawowej w Jelnej oraz w Sarzynie "Za wodą" powstały nowe stadiony sportowe, służące miejscowym klubom oraz dzieciom i młodzieży.

W lutym 2013 roku oddano do użytku kompleks sportowy „Moje Boisko - Orlik 2012”, składający się z dwóch boisk: piłkarskiego ze sztuczną nawierzchnią oraz wielofunkcyjnego do różnych gier zespołowych. Z okazji przypadającej rocznicy 40-lecia nadania Nowej Sarzynie praw miejskich Urząd Miasta i Gminy przy współpracy z instytucjami gminnymi oraz organizacjami pozarządowymi zorganizował kilkadziesiąt imprez kulturalnych i sportowych skierowanych do mieszkańców miasta i gminy. W Woli Zarczyckiej odbyła się uroczystość upamiętniająca 70. rocznicę Pacyfikacji wsi. Pomnik ofiar pacyfikacji został wyremontowany wraz z bezpośrednim otoczeniem. W sołectwie Judaszówka oraz na Osiedlu Janda w Nowej Sarzynie wybudowano kanalizację sanitarną.

W 2014 roku zakończył się kapitalny remont budynku Ośrodka Kultury w Nowej Sarzynie. Modernizacja umożliwiła reaktywowanie kina, które w styczniu 2015 roku wznowiło projekcje nowości filmowych w nowoczesnej technologii trójwymiarowej oraz rozdzielczości 4K. W listopadzie 2014 roku odbyły się wybory samorządowe, w których zwyciężył już w I turze dotychczasowy burmistrz Jerzy Paul, uzyskując 68,30% głosów. Radnych Rady Miejskiej wybierano po raz pierwszy w okręgach jednomandatowych (jeden okręg - jeden mandat).

W 2015 roku odbyły się uroczystości z okazji 80-lecia OSP w Wólce Łętowskiej i w Jelnej. Powstały także miejsca pamięci ofiar I wojny światowej w Jelnej, Tarnogórze i Sarzynie w setną rocznicę walk nad Sanem. We wrześniu tego samego roku w Senacie RP odbyła się wystawa wikliny zorganizowania przez naszą gminę. W październikowych wyborach parlamentarnych burmistrz Jerzy Paul uzyskał mandat poselski, uzyskując 12 540 głosów w Okręgu Wyborczym Nr 23.

W styczniu 2016 roku odbyły się przedterminowe wybory Burmistrza Miasta i Gminy Nowa Sarzyna, w których zwyciężył Andrzej Rychel, pełniący w latach 2010 - 2015 funkcję wiceburmistrza. W kwietniu 2016 roku Nowa Sarzyna była gospodarzem XIII Ogólnopolskiej i XXIV Podkarpackiej Parady Straży Wielkanocnych, która zgromadziła blisko 2000 uczestników oraz około 5000 widzów.

W 2017 roku miały miejsce obchody 80-lecia powstania Centralnego Okręgu Przemysłowego, w tym Zakładów Chemicznych Ciech Sarzyna S.A., które z okazji jubileuszu zrealizowały kilka projektów społecznych na terenie Nowej Sarzyny i województwa podkarpackiego oraz imprezę plenerową, połączoną z biegiem dookoła fabryki. W ramach ogólnopolskich obchodów powstania COP-u, które odbyły się w Stalowej Woli swoje stoisko prezentowała Nowa Sarzyna wraz z ZCH Sarzyna Ciech i lokalnymi przedsiębiorstwami. W sierpniu 2017 r. Henryk Atemborski z Nowej Sarzyny został odznaczony przez Prezydenta RP Andrzeja Dudę Krzyżem Oficerskim Orderu Odrodzenia Polski za zasługi dla niepodległości Rzeczpospolitej Polskiej oraz działalność kombatancką i społeczną. W 2017 roku na terenie gminy powstało 21 km nowych nawierzchni asfaltowych, wybudowanych za kwotę 21,5 mln zł przy dofinansowaniu ze środków krajowych i unijnych. Rozpoczęto także termomodernizację bloków mieszkalnych w Nowej Sarzynie, budowę kanalizacji sanitarnej w Jelnej i II etapu w Wólce Łętowskiej oraz pozyskano  blisko dziesięciomilionowe dofinansowanie na zakup i montaż odnawialnych źródeł energii na budynkach mieszkalnych. Z dniem 1 września 2017 roku rozpoczęło działalność powołane przez samorząd gminny I Liceum Ogólnokształcące w Nowej Sarzynie.
 
W styczniu 2018 r. rozpoczęły się obchody jubileuszowe: 100-lecia niepodległości Polski i 45-lecia Nowej Sarzyny. Przy Szkole Podstawowej w Sarzynie wybudowano nowy budynek przedszkolny, a w Woli Zarczyckiej halę sportową. Rozbudowano także Szkołę Podstawową w Rudzie Łańcuckiej. 30 czerwca 2018 r. do Nowej Sarzyny przybył Prezes Rady Ministrów Mateusz Morawiecki, który spotkał się z mieszkańcami. W Woli Zarczyckiej odbyły się uroczystości z okazji 75. rocznicy Pacyfikacji wsi, połączone z rekonstrukcją historyczną tych tragicznych wydarzeń. 30 września 2018 r. w centrum Sarzyny odsłonięto Pomnik Wolności, wzniesiony na pamiątkę 100. rocznicy odzyskania przez Polskę niepodległości. 18 października 2018 r. burmistrz Andrzej Rychel i prezes CIECH Sarzyna S.A. Mariusz Grelewicz podpisali list intencyjny ws. utworzenia „Parku Przemysłowo-Technologicznego Nowa Sarzyna”. 21 października odbyły się wybory samorządowe, w których urzędujący burmistrz Andrzej Rychel został wybrany na kolejną kadencję 2018-2023. W grudniu 2018 r. PKP wybudowało nowy most kolejowy na Trzebośnicy w Nowej Sarzynie.        
 
23 kwietnia 2019 r. w Tarnogórze odbyły się uroczystości z okazji 75. rocznicy akcji ratowania członków załogi Halifaxa JP-224. W lipcu i sierpniu 2019 r. w Woli Zarczyckiej obchodzono jubileusze 100-lecia konsekracji kościoła oraz 120-lecia powstania OSP.  4 sierpnia 2019 r. w Jelnej oddano do użytku kanalizację sanitarną. 5 września 2019 r. przy ul. Mickiewicza 2 w Nowej Sarzynie otwarto nową siedzibę Klubu Seniora. 22 września 2019 r. w Sarzynie świętowano jubileusz 100-lecia miejscowej OSP. W wyborach parlamentarnych w dniu 13 października 2019 r., Jerzy Paul został wybrany Posłem na Sejm RP IX kadencji. W 2019 r. na terenie gminy zrealizowano projekt o wartości 12,8 mln zł polegający na montażu instalacji odnawialnych źródeł energii na budynkach mieszkalnych.
 
2 stycznia 2020 r., Grupa Ciech - właściciel Zakładów Chemicznych w Nowej Sarzynie dokonał podziału spółki na dwa niezależne od siebie podmioty: Ciech Sarzyna, produkujący środki ochrony roślin oraz Ciech Żywice, wytwarzający żywice epoksydowe i poliestrowe. W marcu rząd RP wprowadził na terenie całego kraju stan epidemii związny z rozprzestrzenianiem się koronawirusa. W związku z tym wiosną oraz jesienią wprowadzone zostały liczne ograniczenia i obostrzenia społeczne. Samorząd Miasta i Gminy podjął szereg działań mających na celu wsparcie dla mieszkańców i przeciwdziałanie rozprzestrzenianiu się epidemii. W lipcu rozpoczął działalność Dzienny Dom Pobytu w Nowej Sarzynie. 10 sierpnia, w wieku 84 lat  zmarł budowniczy kościoła i wieloletni proboszcz Parafii w Nowej Sarzynie ks. prał. Stanisław Turek. OSP w Jelnej świętowała jubileusz 85-lecia, w trakcie którego otrzymała nowy wóz bojowy. W Łętowni wybudowana zostaje kanalizacja sanitarna o długości 2,5 km wraz z 350 przyłączami o długości 2,7 km. W Sarzynie oddano do użytku rozbudowny budynek remizy OSP. W grudniu zmarł Dariusz Żak, Zastępca Burmistrza Miasta i Gminy Nowa Sarzyna w latach 2002-2005. Na inwestycje w infrastrukturę drogową, dofianansowane ze srodków zewnętrznych wydatkowano 15,5 mln zł.