Sobre el cerro de "La Peñilla" situado al Norte de la población, se asentaba la antigua fortaleza. El acceso al emplazamiento se hace por un camino que conduce a un conjunto de antenas de telefonía móvil situada al Este. Su flanco Sur se encuentra amenazado por la explotación de una cantera. Al Oeste continúa la meseta de la peña, mientras que el frente Norte es el mejor defendido al tener una caída vertical.
Del primitivo castro que dio nombre a la población, sólo perdura una pequeña plataforma, de 27 metros de largo por 12 de ancho, rodeada por un muro a ras de suelo. En los frentes Oeste y Sur se aprecian restos de un segundo recinto más adelantado.
El municipio ya es ocupado en la edad del Bronce, como demuestra la aparición de un hacha de bronce en la vecina localidad de Roscales. En época prerromana ocupan estas tierras los cántabros, y más en concreto la tribu o clan de los camáricos. Es probable que la vía romana que unía Salcedillo con Cervera y Guardo, pasase por la localidad. En los siglos I y II hay un asentamiento romano en Cantoral de la Peña.
Al igual que todo el norte de la provincia, es una de las primeras zonas repobladas. Se integra dentro de la comarca de la Peña, cuya cabecera está establecida en el castillo de San Román de Entrepeñas.
Aparece mencionada la localidad por primera vez en el documento de 916 por el que Ordoñó II señala los límites del Obispado de León, formando parte del límite oriental del mismo.
En 1345 la iglesia está dedicada a Santolalla y es atendida por un preste, un diácono y dos graderos.
Según el Becerro de las Behetrías de Castilla, a mediados del siglo XIV es lugar solariego de Juan Rodríguez de Cisneros, Fernando García Duque, del hijo de Diego Ordoñez con el mismo nombre, y de los hijos de Juan Díaz de Llantudiella. Los derechos del Rey corresponden a monedas y servicios cuando los echa, aunque no pagan ni yantar ni fonsadera, ni lo han pagado nunca. Cada señor recibe anualmente de sus vecinos una fanega de centeno y una gallina en concepto de infurción.
Tras la muerte de Juan de Velasco, señor de Herrera de Pisuerga, en 1418, según la pesquisa que se realiza para saber el número de vasallos solariegos que posee y los tributos que deben satisfacer, en Castrejón tiene 12 vasallos que pagan anualmente de infurción una fanega de pan, dos maravedíes y una gallina.
Elvira Laso de Mendoza vende en 1445 a su hermano Hurtado de la Vega los lugares de Baños y Castrejón junto con sus merindades por 204.000 maravedíes.
En el año 1514 figura integrada en el mayorazgo que Mencía Sandoval de la Vega, VII señora de Guardo, deja a su sobrino Diego Hurtado de Mendoza, III Duque del Infantado. También forman parte del mayorazgo las villas de Tordehumos (en Valladolid) y Castrillo de Villavega.
Pertenece en 1528 a la Merindad de Saldaña y es cabecera de la circunscripción denominada Tierra de Castrejón, donde aparece con un censo de 22 vecinos pecheros. También es cabecera del arciprestazgo de Castrejón, que forman 12 localidades y un total de 357 vecinos, de los que 31 corresponden a la localidad, con 29 vecinos pecheros y 2 clérigos.
Se reduce la población en 1631 a 13 vecinos, 52 habitantes contados individualmente de los que 16 son menores de 10 años, que junto con las 45 cabezas de ganado mayor y 162 de ganado menor, consumen 6 fanegas de sal anualmente, aunque tienen una escritura para acopio de 20 fanegas. Para su suministro dependen de la salina de Poza de la Sal.
Castrejón junto con los nueve lugares de su jurisdicción, figuran en el vecindario de 1646 con 120 vecinos, mientras que en el censo de 1712 la localidad aparece con 38 los vecinos.
A mediados del siglo XVIII, en las respuestas al conocido como Catastro de Ensenada, indican que es villa es cabecera de nueve lugares sobre los que tiene jurisdicción y que es señorío del Conde de Siruela. Su población es de 31 vecinos, entre los que se encuentran 10 viudas consideradas como 5 vecinos. Dispone de 37 casas habitables, 2 cerradas y 3 arruinadas.
El censo de 1768 recoge la existencia de 199 habitantes, de los que 108 son hombres y 91 mujeres. También se señala la presencia de 4 hidalgos. Dos años más tarde se indican 218 personas, equivalentes a 38 vecinos, así como la existencia de un hospital para pobres enfermos transeúntes.
Un nuevo censo en 1787 indica que la villa es de señorío secular, pertenece a la intendencia de Toro, partido de Carrión y la autoridad la representa el alcalde mayor de señorío. La población la forman 131 hombres y 106 mujeres, para un total de 237 habitantes. Por profesiones hay 17 jornaleros, 13 labradores, 4 criados, 2 escribanos, 2 estudiantes y 2 artesanos. Además cuenta con 3 hidalgos y, relacionados con la iglesia, 2 beneficiados, 2 tenientes de cura, 1 sacristán, 1 hermano de la orden tercera del patrimonio y otro de menores.
En 1828 la villa ya figura en la provincia de Palencia con una población de 43 vecinos, 190 habitantes. A mediados de siglo Pascual Madoz reduce la población a 31 vecinos, 177 almas.
Becerro de Bengoa en 1847 señala 1.412 habitantes para el ayuntamiento de Castrejón e indica la existencia de 69 casas en esta localidad, mientras que en el resto de lugares hay 4 en Boedo, 28 en Cantoral, 26 en Cubillo de Castrejón, 19 en Loma, 37 en Pisón de Castrejón, 24 en Recueva, 57 en Roscales, 26 en Traspeña y 33 en Villanueva de la Peña.
La población de derecho del municipio a 31 de diciembre de 1877 es de 1.302 habitantes, 670 hombres y 632 mujeres.
Datos del censo de 1894 reflejan la existencia en la villa de 13 edificios de una planta y 25 de dos, con una población de 243 personas, aunque únicamente 240 son de derecho.
Destaca en su casco urbano, la iglesia de Santa Águeda, edificio de transición del estilo gótico al renacentista, con una portada con arco escarzano al que realza otro conopial, construida a principios del siglo XVI. En el municipio, por el que transcurre el Camino Olvidado a Santiago, merece la pena acercarse a Pisón de Castrejón para contemplar la iglesia de La Anunciación, o en Traspeña de la Peña la de La Transfiguración, ambas del siglo XIII.