Die Burg wurde um 1050 auf einem 470 m hohen Vulkankegel hoch über dem Brohltal gebaut.

In einer Stiftungsurkunde von 1112 findet ein Burghardus de Oreburch Erwähnung: Burkhard von Olbrück stammte aus dem Geschlecht derer zu Wied, in dessen alleinigen Besitz sich Olbrück bis 1244 befand, ehe die Hauptlinie der Familie erlosch.Eine Hälfte Olbrücks fiel an die Brüder Bruno II. von Braunsberg und Dietrich von Isenburg und die andere an ging deren Vettern Gottfried und Gerhard von Eppstein. Die Eppsteiner verkauften ihren Anteil 1271 an einen Ritter namens Peter I. von Eich. Dieser erwarb auch die Hälfte des Isenburgischen Besitzes. Ein Restteil Olbrücks befand sich bis 1306 immer noch in Eppsteiner Besitz, ehe dieser an den Grafen Rupprecht II. von Virneburg verkauft wurde. 1318 wurde der Eichsche Anteil an der Burg zwischen den einzelnen Familienlinien aufgeteilt, womit Olbrück endgültig den Status einer Ganerbenburg erhielt. Der Virneburger Anteil an der Anlage wechselte ab 1319 mehrmals die Besitzer. 1329 heiratete Agnes von Virneburg Wilhelm I. von Isenburg-Braunsberg. Dieser machte die Burg seiner Gemahlin zum Hochzeitgeschenk, womit die Anlage wieder in Virneburger Besitz kam. Durch Heirat geriet ein Teil der Olbrücker Burganlage 1373 an Friedrich und Philipp von Schöneck, während die Erbtochter Katharina von Eich 1390 heiratete und ihr Erbteil an der Burg damit der Familie ihres Gatten, Wilhelm von Orsbeck, gehörte. In diesem Jahr wurde auch der Wohntum ausgebaut. 1422 erfolgte eine weitere Zersplitterung der Besitzanteile durch die Heirat Elisabeths von Eich mit Godart von Drachenfels. Dessen Sohn verkaufte seinen Teil 1469 an die Familie von Wied. Anfang des 16. Jahrhunderts hatten mehr als ein Dutzend Adelsgeschlechter Anteile an der Burg Olbrück.Im Jahre 1555 kamen Burg und Herrschaft Olbrück in den alleinigen Besitz der Familie Waldbott von Bassenheim.

Während des Dreißigjährigen Krieges wurde die Anlage 1632 von schwedischen Truppen unter Wolf Heinrich von Baudissin eingenommen und verwüstet. Doch schon im Jahr darauf konnten sie spanische und kurkölnische Truppen zurückerobern. Im Zuge des Pfälzischen Erbfolge- krieges ließ der französische General Marquis de Sourdis Burg Olbrück am 3. Mai 1689 ein weiteres Mal zerstören. Dennoch begannen die Bewohner schon im nächsten Jahr mit dem Wiederaufbau. Aus jener Bauzeit stammten die Kapelle und der repräsentative Palas, von denen heute noch Teile erhalten sind. Schon ca. 100 Jahre später wurde Burg Olbrück im Jahr 1797 endgültig als Wohnsitz aufgegeben. Vermutlich konnte die Burganlage seinerzeit nicht mehr den gehobenen Wohnansprüchen ihrer Besitzer gerecht werden. Im Zuge der Säkularisation wurde die Burg 1804 von der französischen Verwaltung auf Abbruch verkauft. Nach häufigen Besitzwechseln erwirbt Freiherr von Eckesparre die Ruine vom preußischen Staat, der sie seit 1855 besaß. Im Jahre 1956 erwarb der Düsseldorfer Architekt Schlitter die Burganlage mit einem noch weitgehend intakten und begehbaren Bergfried und den ihn umgebenden Ruinen von Kern- und Vorburg. Von 1972 bis 1974 ließ er umfangreichere Sicherungs- und Wiederaufbauarbeiten an der äußeren und inneren Ringmauer, an Einfahrtstor und Bergfried vornehmen. Als das Projekt die finanziellen Möglichkeiten Schlitters zu übersteigen begann, endeten 1974 die Bauarbeiten auf der Burg Olbrück. 1976 kam es zu einem erfolglosen Versteigerungstermin. Ab 1976 setzten Verfall und Vandalismus der Burg Olbrück immer mehr zu. 1987 und 1990/91erfolgten Sicherungsmaßnahmen durch die Kreisverwaltung Ahrweiler im Rahmen ihrer Aufgaben als unterer Denkmalschutzbehörde. 1998 kam es zur Unterzeichnung eines Pachtvertrages zwischen der Verbandsgemeinde Brohltal und dem Besitzer der Ruine für 25 Jahre. Erst als die Ruine in das Konzept des Vulkanparks Brohltal/ Laacher See als Museum und Denkmal einbezogen wurde, konnten finanzielle Mittel zur Erhaltung und Sicherung der Ruine beschafft werden. Noch im gleichen Jahr begann die Restaurierung des Bergfriedes. Nach Abschluss 2001 wurde die Burganlage für die Öffentlichkeit zugänglich.