Le dolmen effondré de Pierrelée à Montsoreau date probablement du Néolithique moyen, entre la fin du IVe et le milieu du IIIe millénaire avant notre ère. Il relève d'un ensemble de structures du Néolithique implantées dans le sud-est du Maine-et-Loire, en retrait par rapport au fleuve, sur le plateau et plutôt en secteurs élevés. À proximité ont ainsi été signalés les sites de vestiges lithiques des Tailles-Mortes, de l'Alouette et du Poteau-d'Arrée, à Fontevraud-l'Abbaye et, d'une manière générale, le Saumurois offre plusieurs exemples de sites mégalithiques, dolmens (notamment ceux de Bagneux) ou menhirs (comme à Artannes-sur-Thouet).

On ne connaît pas la date à laquelle les dalles qui le composent se sont effondrées. Le toponyme de Pierrelée, attesté sous la forme latine de "Petra Lata" dans une donation de parcelles voisines en 1246 (et en français "Pierre Lée" dès le XIIIe siècle), signifie probablement "pierre large" (et non une "pierre-lait" qui évoquerait des libations selon certains auteurs).

Au XIXe siècle, le dolmen est déjà à terre et, après excavation du sol sous les dalles, est réemployé comme cabane de vigneron (et non comme habitation comme le rapporte parfois la bibliographie). Ce réemploi que Michel Gruet mentionne comme attesté en 1861, remonte environ aux années 1830-1840 selon Jacques-Xavier Carré de Busserolles qui en 1885 attribue cette transformation au propriétaire qui aménage l'abri excavé "il y a une cinquantaine d'années"). On relève quelques reprises des maçonneries de cette cabane au XXe siècle (dont la restauration de la cheminée). Selon des témoignages oraux recueillis vers 1960, sept propriétaires de vignes alentour s'en partageaient alors l'usage, mais cette cabane de vigneron est à présent abandonnée et envahie par la végétation.

Le dolmen, dont l'étude archéologique est désormais limitée du fait de son excavation, est inscrit sur la liste supplémentaire des monuments historiques par arrêté du 25 mai 1970.