Nel 1516 gli Assisani presero possesso del Castello di Valfabbrica con una solenne cerimonia; da quel momento in poi il Comune di Assisi governò il Castello con propri vicari fino alla morte di Leone X, avvenuta nel 1521, quando il duca di Urbino invase i territori della Chiesa e divenne signore di Valfabbrica.
Gli storici fanno risalire al tempo di Guidobaldo II della Rovere, fra il 1538 e il 1574, la compilazione del nuovo statuto di Valfabbrica. Il Castello, come gli altri territori dell'ex Stato di Urbino, dal 1624 al 1631 fu amministrato da un vescovo inviato dalla Santa Sede; dopo la morte di Francesco Maria II, avvenuta il 28 aprile 1631, il Papa occupò subito il Ducato, riunendolo ai suoi domini; Valfabbrica rimase compresa nella giurisdizione di Urbino e dipendente da Gubbio fino al 1734, dopodichè passò allo Stato della Chiesa.
Nel febbraio 1798 l'Umbria entrò a far parte della Repubblica romana: il Comune di Valfabbrica venne compreso nel cantone rurale di Perugia, appartenente al Dipartimento del Trasimeno.
Nel 1816, con la nuova organizzazione territoriale dettata dal motu proprio di papa Pio VII del 6 luglio, Valfabbrica divenne un appodiato di Gubbio, sede di Governo distrettuale nella Delegazione di Urbino e Pesaro della Provincia di Urbino. Nel 1817 "Valfabbrica con Poggio di Sotto" divenne comune autonomo e venne compreso, insieme al suo appodiato Casacastalda con Collemincio e Schifanoia, nel Governo di Gualdo di Nocera, attuale Gualdo Tadino, appartenente al Distretto di Foligno della Delegazione di Perugia.
Nel motu proprio sull'organizzazione dell'amministrazione pubblica di papa Leone XII del 1827 Valfabbrica è una podesteria sottoposta al Governo, Distretto e Delegazione di Perugia.
Tale organizzazione amministrativa fu mantenuta fino all'Unità d'Italia, con la sola variazione della trasformazione della Delegazione di Perugia in Provincia.

Con il regio decreto 12 settembre 1860 le province dell'Umbria vennero affidate al governo di un regio commissario straordinario, il marchese Gioacchino Napoleone Pepoli. Nel novembre 1860 l'Umbria aderì al Regno sabaudo; il 13 dicembre successivo, con apposito decreto, il Pepoli stabilì che si costituisse un'unica grande provincia dell'Umbria, con capoluogo Perugia.
Valfabbrica, come gli altri comuni, ebbe un sindaco dapprima di nomina regia, poi eletto da parte del consiglio comunale. Con il regime fascista fu abolito il sistema elettivo e, dal 1926, venne istituito un podestà di nomina regia che assommava in sé sia le funzioni esercitate dagli organi amministrativi di origine elettiva, sia quelle del sindaco in qualità di ufficiale di governo. Il podestà di Valfabbrica, insediato il giorno 11 luglio 1926 nella persona di Igino Giacopetti, iniziò a deliberare il 30 luglio del medesimo anno. Fu proprio durante il periodo podestarile che, sulla base del regio decreto 14 gennaio 1929 n. 82, la circoscrizione amministrativa del Comune di Valfabbrica mutò, acquisendo le frazioni di Monteverde e Poggiomorico, già appartenenti ad Assisi e le frazioni di Coccorano e Giomici, già appartenenti a Gubbio.
Caduto il regime fascista, il regio decreto 4 aprile 1944 n. 111, ripristinò il sindaco e la giunta municipale, attribuendo ai prefetti il compito di provvedere temporaneamente alla nomina di sindaci e assessori in attesa di poter indire le elezioni per la ricostituzione delle amministrazioni locali. Così Valfabbrica, dal mese di giugno 1944, ebbe un commissario della Provincia nella persona di Guglielmo Bensi. Il sindaco, Italo Adami, nominato con atto del governatore dell'esercito alleato in data 4 luglio 1944, iniziò a svolgere le proprie funzioni quattro giorni dopo la nomina. Il 24 settembre 1944 iniziarono i lavori del consigli comunale e dal 12 novembre del medesimo anno quelli della giunta; quest'ultima deliberò fino al 19 agosto 1945. Con il decreto legislativo luogotenenziale del 7 gennaio 1946 n. 1, vennero ricostituite le amministrazioni comunali su base elettiva.
Le attuali frazioni del Comune di Valfabbrica sono: Coccorano, Collemincio, Giomici, Monteverde, Poggio Morico, Monte Villano, Frecco, Sanbuco, Casacastalda, Poggio San Dionisio, San Donato.