Las tierras colindantes a Peñafiel debieron estar habitadas ya durante la Prehistoria pero lo cierto es que la fundación de la ciudad es mucho posterior. Por su situación geográfica, al lado del Duero, Peñafiel estaba situada en tierra de nadie, suelo fronterizo entre los árabes del sur y los cristianos del norte.
En el año 947 Ruíz Laínez comienza la repoblación de la comarca, es entonces cuando empieza a haber un repoblamiento de la zona al pie del cerro donde se construyó el castillo. Entonces se la conoce como "Penna Fidele" y de alguna manera sirve de fortaleza para la protección del norte de los ataques de Almanzor, por ejemplo. En el año 995, el héroe árabe consigue conquistarla pero por poco tiempo pues algunos años más tarde, Sancho García la devolvió al territorio castellano (1008). A partir de entonces, Peñafiel se convertirá definitivamente en uno de los castillos fronterizos más importantes. Minaya Alvar Fáñez (1110), el más famoso soldado del Cid Campeador fue recompensado con esta villa por sus esfuerzos contra "los paganos". Tuvo que defender la fortaleza (1112) Antes de eso vivió allí doña Urraca y poco después Fernando III y Alfonso X el Sabio. Aquí también nació el Príncipe de Viana, Don Carlos.
Sin embargo, quizás aquel que estuvo más unido a Peñafiel fue don Juan Manuel, uno de los literatos más importantes de la Edad Media pues, entre 1330 y 1335 escribió "El Conde de Lucanor" obra didáctica a base de cuentecillos y moralejas.
Entre los siglos XV y XIX, Peñafiel perteneció a una familia, los Girón o duques de Osuna, a partir de que don Pedro Girón, perteneciente a la Orden de Calatrava y conde de Ureña, se hizo con su señorío. El título de Marqueses de Osuna fue concedido por Felipe II en 1556, poco después pasaría a ser Duque de Osuna. Este título ha ido pasando de generación en generación hasta la actualidad.
En la actualidad, Peñafiel ya no es un señorío y ha desarrollado una de las industrias vinícolas más importantes de España.