Il paese ha cambiato nome tre volte, e ogni volta con il padrone. Verso la metà del X secolo i monaci farfensi costruirono il castello che è il primo nucleo dell'abitato, e lo chiamarono Montebello; poco dopo passò ai canonici del duomo di Fermo, che lo ribattezzarono Grotta dei Canonici, Crypta Canonicorum; e nel Duecento Azzo VII, detto Azzolino, preso possesso della Marca Fermana, gli diede il nome che porta ancora. Prima di tutto questo c'erano i piceni: la necropoli scavata fra il 1948 e il 1953 dice che qui si abitava già nell'VIII secolo avanti Cristo. Dal Trecento il paese stette sotto Fermo; fu eretto a libero comune nel 1537, ma dopo dieci anni papa Paolo III lo rimise sotto la città, e dal 1600 fu governato, insieme ad altri quarantasette castelli, da podestà e vicari mandati da Fermo.
Oliverotto Euffreducci, signore di Fermo, fortificò Grottazzolina e ci mise una fonderia di cannoni: da lì, si racconta, viene la passione del paese per gli spari, per i tonanti e poi per i fuochi artificiali che chiudono ancora la festa patronale. Due dei suoi sindaci meritano il nome: il baritono Francesco Graziani, che tenne la carica fra il 1895 e il 1901, e Vincenzo Monaldi, sindaco negli anni Venti finché il fascismo non lo costrinse a lasciare la vita politica, poi primo ministro della Sanità della Repubblica Italiana. La chiesa del Santissimo Sacramento e Rosario fu costruita col lascito di Alfonso Verzieri, un compaesano che nel Seicento destinò i propri beni a ingrandire l'angusta chiesa di Santa Petronilla; dietro la pala d'altare c'è una Madonna lignea del 1612 dello scultore napoletano Aniello Stellato.