Su origen se remonta a la época celtibérica, cuando en el pico de la mora se levantaba una de las más grandes ciudades de los Vacceos, llamada Pallantia. En excavaciones realizadas por Luis de Monteverde en la década de 1940, se encontró el Tesoro de Pallantia, compuesto por más de 4.000 monedas de plata, de cecas ibéricas, la más moderna de ellas, del año 72 antes de nuestra era.
Ante la llegada de Roma, los habitantes de Pallantia resistieron y vencieron a Lúculo, y después a Escipión, siendo derrotados por Pompeyo en el año 72 a.n.e y su ciudad incendiada. La población fue obligada a bajar del cerro, habitando la ladera que da al arlanza y al arlanzón.
En la edad media se levantó un castillo para proteger este estratégico lugar. Existen documentos del año 850 que lo mencionan, aunque los restos que hoy vemos no parecen anteriores al siglo XV.
En el siglo X era la capital del alfoz de Pallantia Cometis (denominada así por ser señorío de los condes de Castilla).
Hasta el siglo XVI, todos los hombres hijosdalgo debían velar por turnos el castillo y la fortaleza, debiendo pagar un maravedí si no iban.
Perteneció la antigua Palenzuela al obispado de Oca, que abarcaba desde Santilla del Mar hasta el Arlanza.