Il nome Lotzorai appare ufficialmente per la prima volta nel 1117 nel "Santissimi Praesulis Georgici Suellensis", dove si racconta di un Lozoranus risuscitato dal santo. L'origine del toponimo è incerta anche se dovrebbe essere preromana. Il villaggio medioevale appartenne alla curatoria di Ogliastra, nel Regno giudicale di Càlari. La struttura urbanistica è tipica dei paesi ad economia rurale, nei quali è possibile ammirare grandi case con ampi cortili. Le strade strette del centro storico si intrecciano ripetutamente e regalano uno scenario molto suggestivo ai visitatori.
Il paese medioevale faceva parte della curatoria d'Ogliastra, nel regno giudicale di Calari. Nel 1258, con la tripartizione del Giudicato, Lotzorai entrò a far parte del Regno di Gallura e nel 1288 divenne un possedimento coloniale oltremarino della Repubblica di Pisa. Dal 1324 diventò un paese del Regno catalano-aragonese di Sardegna e insieme agli altri paesi dell'Ogliastra venne concesso in feudo al conte di Quirra Berengario Carroz. A causa della guerra tra il Regno di Sardegna e il Regno di Arborea, fra il 1365 e il 1409 Lotzorai assunse la fisionomia curatoriale arborense. In seguito tornò ai Carroz di Quirra. Ultima erede fu Violante, morta nel 1511, che lo lasciò ai Centelles, che nel 1604 divennero marchesi di Quirra. Nel 1674, estinti i Centelles, il feudo passò all'erede designato Francesco Pasquale Borgia. Dopo una lunga lite giudiziaria, nel 1726 i Català ne entrarono in possesso fino al 1801, quando passò agli Osorio de la Cueva. Il paese venne riscattato alla famiglia degli Osorio nel 1840. Nel 1928 il comune di Lotzorai fu aggregato a Tortolì e riacquistò la sua autonomia amministrativa solo nel 1946. Lotzorai faparte della Diocesi d’Ogliastra.