Según Pedro Sarmiento de Gamboa, un cronista español del siglo XVI, el emperador inca Pachacútec conquistó y destruyó Ollantaytambo para luego incorporarlo en su imperio.[1]​ Bajo el gobierno de los incas, el pueblo fue reconstruido con espléndidos edificios y el valle del río Urubamba fue irrigado y provisto de andenes; el pueblo sirvió de albergue para la nobleza inca mientras que los andenes eran trabajados por yanaconas, sirvientes del emperador. Después de la muerte de Pachacútec la región pasó a la custodia de su panaqa, su grupo familiar.[2]​

Durante la conquista, Ollantaytambo funcionó como capital temporal para Manco Inca Yupanqui, líder de la resistencia inca contra los conquistadores españoles. Bajo su mandato, el pueblo y sus alrededores fueron severamente fortificados en dirección a la antigua capital inca de Cuzco, la cual había caído bajo dominio español.[3]​ En el llano de Mascabamba, cerca de Ollantaytambo, Manco Inca derrotó una expedición española bloqueando su avance desde un conjunto de andenes e inundando el llano. Sin embargo, a pesar de su victoria, Manco Inca no consideró viable el permanecer en Ollantaytambo así que se retiró al espeso bosque de la zona de Vilcabamba. En 1540, la población nativa de Ollantaytambo fue asignada en encomienda a Hernando Pizarro.[4]​

 Ruinas del antiguo templo del Sol, en Ollantaytambo.↑ Protzen, Arquitectura y construcción incas, p. 38. ↑ Protzen, Arquitectura y construcción incas, p. 48. ↑ Protzen, Arquitectura y construcción incas, p. 45. ↑ Glave and Remy, Estructura agraria, p. 6.