La historia de la villa se remonta a los tiempos prerromanos, cuando las poblaciones vacceas y arévacas, dos de los grupos étnicos que habitaron la meseta norte en la Segunda Edad del Hierro, empiezan a constituir ciudades-estado de cierta importancia. Una de tales ciudades fue Pallantia, ubicada a pocos metros al oeste del actual pueblo, que se menciona por primera vez en las crónicas romanas el año 151 aC. Los enfrentamientos con los invasores fueron constantes, hasta que el general Pompeyo, enviado por el Senado, destruye la ciudad el año 72 aC. Su solar fue abandonado, y no existió fundación romana sobre sus restos.

En la Alta Edad Media vuelve a resurgir Pallantia, ahora como un centro urbano cuya estratégica posición le hace merecer el favor de condes y reyes, concediéndosele fueros y un alfoz con más de 30 aldeas y lugares.
Se levantan murallas, un castillo, las iglesias de Santa Eulalia y San Juan Bautista, el monasterio de San Francisco, y numerosas casas señoriales. Fue cabeza de la Merindad de Cerrato, y sede de las cortes que
convocó el rey Juan II en 1425. Con el paso del tiempo, el nombre de la villa fue evolucionando, hasta llegar al actual de Palenzuela.

La riqueza patrimonial que atesora el municipio en el día de hoy abarca casi todas las categorías: arqueología (la ciudad prerromana de Pallantia y su necrópolis), arquitectura (la iglesia de San Juan Bautista, las ruinas de la iglesia de Santa Eulalia, las ruinas del castillo y la muralla, los restos de monasterio franciscano, la ermita de Allende el Río, las casonas de piedra con escudos labrados, las casas populares de barro y madera), escultura, pintura y orfebrería (el patrimonio mueble de la iglesia de San Juan –retablos, sepulcros, platería-, las pinturas góticas de la ermita de Allende el Río), etnografía (tanto material –chozos y corrales de pastor, bodegas subterráneas, casas-cueva- como inmaterial –la Procesión de las Hogueras, el Baile del Lazo-), patrimonio documental (el rico archivo municipal, con documentos originales desde el siglo XIII).

Todo ello condujo a su declaración como Conjunto Histórico Artístico Nacional, hoy Bien de Interés Cultural en la categoría de Conjunto Histórico, en 1966.