Está enclavada a 1290 m sobre el nivel del mar en un paisaje abrupto con grandes barrancadas de gran valor paisajístico.

Su término municipal está dividido en cuatro partidas, que cuenta con numerosas masías, de las cuales, unas 125 están habitadas.

[3]​ En Cantavieja se localizan dos muestras de pintura rupestre: el Cerradico Casa Granja y la Masía del Tosco.

En la secuencia estratigráfica aparecieron, en un primer nivel, cubetas circulares —posiblemente hogares—[3]​ cuya datación es neolítica de hace unos 5880 años.

Un tercer nivel, cuya datación es de hace aproximadamente 35 000 años, corresponde a un musteriense relativamente tardío.

[4]​ De acuerdo a la leyenda, Cantavieja fue fundada por Amílcar Barca, quien llamó al lugar Cartago Vetus.

[5]​ La encomienda sanjuanista estaba formada, además de por Cantavieja, por Mirambel, La Iglesuela, Villarluengo, La Cañada, La Cuba y Tronchón.

La villa siguió dependiendo de la Orden del Hospital hasta el siglo XIX, cuando con las desamortizaciones se crearon los ayuntamientos.

Si el enemigo fortificaba esta villa, fácil le era sujetar las inmediatas y estrechar la línea carlista.

Incluso volvió a imprimirse un periódico en la población, denominado Boletín del Ejército Real de Aragón, Valencia y Murcia.

[7]​ Pascual Madoz, en su Diccionario geográfico-estadístico-histórico de España de 1845, refiere que Cantavieja —«situada en un llano, sobre un peñón fuerte que forma un triángulo casi perfecto»— contaba en esa época con 254 casas en su interior, distribuidas en dos plazas principales y varias calles bien empedradas; sólo 154 de las casas estaban habitadas, ya que las otras 104 se hallaban abandonadas al haber sido quemadas en la contienda carlista.

El ejército liberal, al mando del general Despujols, intentó tomar la población infructuosamente en abril de 1874.

El asedio definitivo a Cantavieja —último escollo para acabar con la guerra— comenzó en 1875, siendo manifiesta la superioridad militar del ejército liberal.

Cantavieja tenía 1943 habitantes en 1857,[14]​ siendo entonces el segundo municipio con más población del partido judicial de Castellote, al cual pertenecía.

El antiguo casco urbano de Cantavieja cuenta con una estructura medieval y está declarado conjunto histórico-artístico desde 1981.

Destaca la plaza porticada, dedicada a Cristo Rey, donde se levantan los edificios de la iglesia y el Ayuntamiento.

[19]​ La iglesia de San Miguel es un edificio construido en el siglo XV en estilo gótico levantino.

No obstante, aún se conservan extensos lienzos del recinto exterior formado por las murallas de mampostería.

Construida en mampostería y sillería en las zonas estructurales, posee tres escudos en las dovelas centrales del arco.

El Museo de las Guerras Carlistas se ubica en la calle Mayor en una casa del siglo XVII.

Además, Cantavieja cuenta con tres enclaves singulares de flora catalogados y varios árboles monumentales.