Disséminés sur toute la longueur des vallées, de nombreux villages précolombiens et coloniaux, en majorité intacts, témoignent du patrimoine culturel de la région. Cafayate, Cachi, ou Tafí del Valle, plus au sud, figurent notamment parmi les localités les plus emblématiques de la région.

C'est dans cette région que s'est développée entre 1200 et 1470 la culture de Santa María, appartenant à l'ensemble de la civilisation andine, même si la présence de peuplades diaguita est attestée dans la région dès l'an 850. L'agriculture repose alors essentiellement sur la pomme de terre, le maïs, les pois, le quinoa et les courges. L'utilisation de lamas comme animaux de charge permet aux individus de former des caravanes, contribuant à l'essor du commerce et aux échanges culturels avec d'autres peuples de la région. La culture de Santa María se distingue également par sa maîtrise de la métallurgie et ses travaux sur des métaux tels que l'or, le cuivre ou l'argent, qui lui permettent de réaliser des objets complexes. La poterie tient quant à elle une place primordiale, en témoignent les nombreuses urnes funéraires en céramique retrouvées dans la région.

Les vallées Calchaquies doivent leur nom à une des nations diaguitas ou paziocas, les calchaquís, une culture indigène qui imposa une guerre de 100 ans aux envahisseurs espagnols, connue sous le nom de Guerras Calchaquíes (guerres calchaquies), initiée en 1562 par le chef militaire Juan Calchaquí.