Vieles berechtigt zur Annahme, dass Stammheim eine fränkische Siedlung des 6./7. Jahrhunderts ist. Historiker möchten aus dem Namen ableiten, dass Stammheim Ausgangsort einer ganzen Siedlungsgruppe gewesen sei (so wie wir heute noch von einem „Stammsitz“ sprechen). Die Weinbaugemeinde trägt durch die Bauweise mit den eng zueinander stehenden Wohnhäusern, den kleinen Hofräumen und Wirtschaftsgebäuden im alten Ortskern, die Kennzeichen eines uralten Häckerdorfes.

Obwohl eher zufällig auf einer Baustelle am Erlachsbrunnen 1998 Scherben aus der bandkeramischen Zeit, also aus dem Neolithikum, der Jungsteinzeit (5000 v. Chr.) gefunden wurden, wurde Stammheim erstmals im Jahr 1258 urkundlich erwähnt. In einer Urkunde ist festgehalten, dass die Grafen Heinrich und Hermann zu Castell, die wichtigsten Grundherren, dem Zisterzienserinnenkloster Maidbronn die Kapelle schenkten.

Durch Jahrhunderte war das Dorf grundherrlich stark aufgeteilt. Genoss auch der Ort nicht besondere „Freiheiten“ wie die benachbarten Städte Volkach oder Gerolzhofen oder wie der castellisch-rüdenhäusener Markt Obereisenheim auf der gegenüberliegenden Seite des Maines, so wollten die Stammheimer doch mit dem Bau ihres stattlichen Rathauses ihr Ansehen unter Beweis stellen. 1604 begannen die Stammheimer in der Dorfmitte mit den Bauarbeiten. Auf den massiven Unterbau des Erdgeschosses richteten die Zimmerleute mit wahrem Kunstgeschmack das Obergeschoss und den Dachgiebel, ein reich verziertes Fachwerk. Mit großer Feierlichkeit wurde zwei Jahre später 1606 die Fertigstellung gefeiert.  

Für die Dorfgemeinschaft bildete das Rathaus den Mittelpunkt und das Symbol für die Wahrung der verbliebenen Rechte, wie sie in den Gemeindeversammlungen zum Ausdruck gelangten. Hier versah der Bürgermeister, vordem auch Bauer- oder Dorfmeister genannt, seine Amtsgeschäfte. Zum Unterschied vom Schultheißen, der stets durch die Herrschaft bestellt wurde, wählte die „versammelte Gemeinde“ den Dorfmeister. Seine Amtszeit betrug meist nur ein Jahr.

Ehedem vereinnahmten hier die verschiedenen Lehensherren den beträchtlichen Weinzehnt wie das Haus Castell, die Klöster Maidbronn, Ebrach, Heidenfeld und St. Stephan in Würzburg, aber auch weltliche Herren wie die Gehsattel, die Grafen von Ingelheim und ab Mitte des 18. Jahrhunderts die Familie Schönborn.

Das Kloster Ebrach unterhielt in Stammheim sogar eine Weinkelter.Schließlich aber brachte das Hochstift Würzburg fast alle Güter und Rechte an sich. Verwaltungsmäßig gehörte Stammheim zum bischöflichen Amt Klingenberg.

Die Benediktiner aus St. Stephan zu Würzburg erbauten um 1618 einen stattlichen Klosterhof mit Zehntscheune. Seit 1787 existiert in Stammheim eine eigene Pfarrei. Um 1800 war Stammheim ganz würzburgerisch mit 80 Häusern und 411 Seelen. Die Einwohner ernährten sich überwiegend vom Weinbau.

Der Sandboden war als Ackerland nicht sehr ergiebig, daher wurde der Obstbaumanbau intensiviert. Im Laufe des 19. Jahrhunderts wandelte sich die Stammheimer Weinlandschaft zunehmend in eine Obstlandschaft. Diese Tendenz wurde noch verstärkt als zu Beginn des 20. Jahrhunderts Spätfröste, die Reblaus und eingeschleppte Pilzerkrankungen (aus Amerika) wie Oidium und Peronospera, den Rückgang des Weinbaus bedingten. In Folgen des 1. und 2. Weltkrieges kam der Weinbau fast vollständig zum Erliegen.

In dieser Krise haben sich die Grafen von Schönborn um Stammheim sehr verdient gemacht, als zahlreiche Bauern in Not gerieten. Sie wiesen ihnen etwa 100 Hektar Pachtland vom Hofgut Öttershausen zu günstigsten Bedingungen zu. Dies ermöglichte zusätzlichen Ackerbau und die Viehzucht und half über die Krise hinweg zu kommen.

Im Zweiten Weltkrieg, am 06.02.1945, fielen um 13.30 Uhr zwei Fliegerbomben auf das Dorf, die das Anwesen des Landwirts Josef Wieland in der Häckergasse völlig zerstörten. Dabei kam der Sohn der Familie ums Leben. Am Weißen Sonntag, den 08.04.1945, besetzten die Amerikaner den Ort, ohne dass es zu Kämpfen kam.

Die Wiederbelebung und Intesivierung des Weinbaues erfolgte mit der ersten Flurbereinigung der Weinberge von 1963 bis 1965 die auf Anordnung der Regierung von Unterfranken erfolgte. Dies war die Grundlage für einen bescheidenen Wohlstand für die Stammheimer Bürger. Der Ausspruch von Pfarrer Glückler: „Stammheim macht sich, bis 1980“, ist Wirklichkeit geworden.

Als Zeichen wiedergewonnenen Selbstvertrauens hat die Gemeinde Stammheim im Jahr 1972 ein Wappen angenommen, dass ihr am 18.05.72 von der Regierung offiziell genehmigt wurde. Es ist geteilt und zeigt oben eine Vierung in Rot und Silber, unten im Grün eine silberne Kelter. Es ist auf diese Weise der langjährigen, hauptsächlichen Grundherren, der Grafen von Castell gedacht worden, deren Wappen die rote und silberne Vierung entnommen ist. Die Kelter und die grüne Feldfläche erinnern daran, dass Stammheim ein alter Weinort ist, in dem früher das Kloster Ebrach eine Kelter unterhalten hat.

Mit der Eingemeindung 1978 in die Gemeinde Kolitzheim endete die Selbständigkeit der Gemeinde Stammheim.