La actual villa de Palenzuela se ubica sobre la falda de un promontorio, hoy llamado La Horca, junto a las cuevas de La Mora horadadas por el hombre que las habitó en la época celta, en la horquilla que conforman las corrientes fluviales del Arlanza y el Arlanzón, junto al despoblado de lo que fue la antiquísima y fortificada ciudad celtibérica de Pallantia, como lo confirman los restos arqueológicos encontrados; el más conocido es El Tesoro de Palenzuela, encontrado a mediados del siglo XX, a poco más de 40 kilómetros de la capital.

El solar que hoy ocupa la villa de Palenzuela también lo fue de pueblos primitivos en el muy lejano pasado como son la Era Neolítica y las edades de Bronce y de Hierro. Más tarde fue lugar de asentamiento de vacceos, celtibéricos y romanos, estos últimos señorearon la Península durante siete siglos. 

En el año 72 a.C. Pompeyo regresó a Iberia al frente de un poderoso ejército y a su paso, todas las poblaciones se entregaban sin luchar a excepción de aquellas confederadas de Sertorio, una de ellas era Pallantia que se aprestó a su defensa antes de entregarse: Pompeyo no dio cuartel y la ciudad de Pallantia fue reducida a cenizas.

El nombre actual se originó en el siglo XI cuando Palencia del Arlanza perdió población y peso con respecto a Palencia de Carrión, la actual capital de la provincia, y pasó a llamarse Palencia Minor, después Palenciola y finalmente Palenzuela.

A principios del siglo VIII, la península ibérica fue sometida por los invasores musulmanes y estos, como los romanos y visigodos, ocuparon las ciudades fortificadas en los cerros, como lo era la ya conocida como Palencia, según consta en algunos documentos de la época conservados en el monasterio de Cardeña.

A finales del siglo VIII, mesnadas de Alfonso I de León asolaron muchas de las fortalezas de la zona para imposibilitar el regreso y asentamiento de los sarracenos a estas tierras. 

Durante el siglo IX se inició la repoblación de estos territorios con cristianos del norte, levantando poblaciones y fortalezas dentro de comarcas naturales, para cuyo gobierno se nombraba a un conde; momento en que apareció el condado de Palencia, integrado por 34 villas, villorrios y lugares bajo el nombre de Palencia del Conde. Siendo el primer conde Pero de Palencia, hermano de Garcí Fernández, conde de Castilla, ambos hijos de Fernán González, conde Castilla. A finales del siglo X, Sancho García, el de los Buenos fueros, hijo de Garcí y nieto de Fernán González, y como ellos conde de Castilla, dotó de fuero a la villa, que hoy se conocen como Fueros de Palenzuela en el que, entre otras libertades y privilegios, decía: «El hombre de Palenzuela no está obligado a pagar tributo para la guerra ni está obligado a prestar declaración como testigo si él no quiere. Los hombres de Palenzuela sólo tienen que pagar un tributo insignificante, quedando exentos de él los recién casados, las viudas en su primer año de viudedad y todo aquel que criase caballo o potro, además están exentos de pagar portazgo en todo el reino». El fuero luego fue confirmado y ampliado por varios de los monarcas siguientes.

En el siglo XII nacieron las merindades; una de ellas fue la Merindad del Cerrato, compuesta por más de 80 villas, pueblos, villorrios y lugares encabezada por la villa de Palenzuela, que se extendía por las actuales provincias de Burgos, Palencia y Valladolid. 

Casa de Lara.

En el siglo XI, Palenzuela pasó a ser señorío de los condes de Castro y más tarde de la Casa de Lara, en aquél momento encabezada por Álvaro Núñez de Lara, alférez mayor de Castilla, quien se levantó en armas contra la corona en los primeros tiempos del reinado de Fernando III y sería derrotado por las tropas reales en 1218. Entonces el señorío de Palenzuela pasó a la corona y en 1219 era entregado en arras a la futura reina Beatriz.

Tres cuartos de siglo después, en 1295, el señorío de Palenzuela volvía a la Casa de Lara en la persona de Juan Núñez de Lara, mayordomo mayor del rey, en cuatro periodos distintos, y adelantado mayor de la frontera de Andalucía, quién se rebeló contra doña María de Molina, regente del reino durante la minoría de edad de su hijo, Fernando IV, luego llamado el Emplazado, por lo que la villa de Palenzuela fue sitiada y asediada por las huestes reales durante seis meses. Tras su toma volvió de nuevo a la corona.

Al sublevarse la villa contra la corona en 1356, el mismo rey, don Pedro I el Cruel acudió personalmente a Palenzuela, logrando la rendición de la villa a las tropas leales a cambio del perdón. Entonces entregó el señorío de la villa a su amante María de Padilla. 

Algún tiempo después, Pedro I el Cruel cedió el señorío de la villa a su hermanastro Enrique, conde de Trastámara, quien tras el Regicidio de Montiel, acaecido el día 14 de marzo de 1369, sería proclamado rey de Castilla, entronizándose así la nueva dinastía Trastámara. 

En 1405 la villa de Palenzuela pertenecía a la reina doña Catalina de Lancaster, esposa de Enrique III, y tras el fallecimiento del rey en 1406, regente por la minoría de edad de su hijo, luego Juan II, padre de Isabel la Católica, quien el día 14 de julio de 1405 extendió el Privilegio de Tordesillas, por el que eximía de tributos durante nueve años seguidos a los nuevos pobladores que viniesen a vivir a Pedrezuela. 

Juan II, que vivió muchos meses en Palenzuela, convocó cortes del reino en la villa durante el mes de septiembre de 1425. La villa que era señorío del rey, en 1429 la permutó por Arcos de la Frontera, señorío de los almirantes de Castilla. 

En 1444, fue teatro de operaciones en el enfrentamiento entre los reyes Juan II de Castilla y Juan I de Navarra, perdiendo el de Navarra todas las posesiones que tenía en Castilla en beneficio de la corona castellana.

Alonso Enríquez de Quiñones, señor de las fortalezas de Palenzuela, Hornillos y Cordovilla la Real, junto con su cuñado Juan de Tovar, que poseía la de Astudillo, se sublevaron en 1451 contra Juan II y su favorito, don Álvaro de Luna. Asediada la villa con artillería, se rindieron en enero del año siguiente. El rey entregó Palenzuela a su hijo Enrique, príncipe de Asturias, quien la devolvió de nuevo a los almirantes de Castilla en 1454.

En 1556, Carlos I, en su viaje desde Laredo (Cantabria) con destino al cacereño Monasterio de Yuste, paró varios días en Palenzuela a descansar y esperar la comitiva de señoras y doncellas que le seguían, momento en que cayó enfermo, y la villa organizó rogativas implorando su mejoría. Palenzuela fue uno de los 24 municipios españoles en los que pernoctó.

Durante la guerra de la Independencia, la villa fue ocupada en varias ocasiones por las tropas francesas que tenían su cuartel general en la vecina localidad de Quintana del Puente. En 1813 el mariscal Soult se apropió del palacio de los Jalón, lugar donde pasó noche José Bonaparte cuando abandonaba España.

Muralla.

Del castillo de Palenzuela, probablemente construido en el siglo XI, sólo quedan en píe restos del lienzo nordeste y de tres torreones tronco piramidales donde se ven los huecos de numerosos mechinales.

Toda la villa estaba protegida por un recinto murado para protección de un primer asentamiento, realizado en la explanada frente al castillo, que se extendía a lo largo de la calle principal hasta la iglesia de San Juan, formando un recinto ovalado más estrecho junto a la iglesia, donde se encontraba la entrada que daba a la actual plaza Mayor. 

El crecimiento de la población obligó a construir otro cerco protector, del que queda una de las dos puertas, llamada Puerta de la Paz o Arco de Triunfo. Además queda el palacio fortificado de los Herrera, la iglesia de Santa Eulalia levantada en el siglo XIII en estilo gótico ojival y la iglesia de San Juan del siglo XIV.

 Desde el 23 de julio de 1966 la villa de Palenzuela es Conjunto Histórico-Artístico.