Aparece nombrada la localidad en la documentación de Alfonso VIII como "Quintanilla de Vallis bone". Posteriormente pasa a ser conocida como "Valle Bona", y en el siglo XIV se la mienta como "Valbuena cerca del río Pisuerga", que evoluciona hasta "Balbuena de Riopisuerga" a mediados del XVIII.
En 1351 pertenece a la merindad de Castrogeriz (Burgos), siendo lugar de behetría de Juan Rodríguez de Sandoval, y figuran como deviseros Don Nuño, Don Pedro y Don Tello por su mujer. Además de Juan Rodríguez de Sandoval, son naturales Juan Hurtado, Diego García de Padiella, Lope Fernández hijo de Ferrant Gutiérrez, Fernant Gutiérrez hijo de Diego Fernández, y Lope y Fernán Gutiérrez.
Pagan al Rey servicios y moneda, así como 120 maravedís en concepto de martiniega, aunque estos los recibe el castillo de Burgos. También dan a cada señor cuatro dineros los hombres casados y dos los solteros. Asimismo, por devisa Don Nuño, Don Pedro y Don Tello reciben cada uno seis maravedís y un tercio.
Como "Balbuena" aparece en 1528 en el Censo de Pecheros con 16 vecinos, mientras que según los datos del Obispado de Burgos de 1589, la localidad se incluye en el Arzobispado de Palenzuela, con 2 pilas y 50 vecinos.
Dos años después se censan 58 vecinos, de los que 35 son pecheros, 20 hidalgos y 3 clérigos, además hay 2 religiosos franciscanos que no se consideran vecinos.
El Censo de la Sal, confeccionado en 1631, indica una población de 27 vecinos, 66 personas, además de la existencia de 55 cabezas de ganado mayor y 797 de ganado menor. Está incluida en los lugares sueltos del partido de Burgos, que están agregados al alfolí de la ciudad de Burgos, con un acopio de 20 fanegas de sal. Poco después, en 1646, el vecindario está formado por 18 vecinos.
En 1712 aparece incluida en el partido de Castrojeriz, con 11,5 vecinos. Años después, en 1753, figura como villa de realengo, con 32 casas habitables, ocupadas por 30 vecinos, entre los que se incluyen eclesiásticos, pastores, viudas contadas cada dos como uno, y un mozo soltero.
Un nuevo censo, este de 1768, indica existencia de 159 vecinos, 86 hombres y 73 mujeres, entre los que hay 13 hidalgos. La localidad pertenece a la provincia, corregimiento y arzobispado de Burgos. Se sabe que dos años más tarde hay dos cofradías en la localidad, la de la Vera Cruz que da una pequeña colación al cura y religioso que predica la Semana Santa; y la de Nuestra Señora que invierte sus rentas en misas de su fundación y alguna cena en sus festividades.
Como lugar aparece en 1787 incluido en la intendencia de Burgos, partido de Castrojeríz, con un vecindario que asciende a 205 personas repartidas entre 107 hombres y 98 mujeres. Por ocupaciones específicas hay 18 labradores, 13 jornaleros, 10 criados y 8 hidalgos, además de cura, beneficiado y sacristán.
En el siglo XIX ya encontramos a Valbuena agregado a la provincia de Palencia, partido de Campos aunque sigue perteneciendo al arzobispado de Burgos. La evolución de la población pasa de 53 vecinos, 197 habitantes, que hay en 1828; a 30 vecinos en 1843, todos electores; para en 1850 ser 29 vecinos, 147 almas, con un casco urbano formado por 42 casas. Además, en el camino a Cordovilla, se encuentra un batán de una pila propio de un vecino de Astudillo, y cerca de la Ermita del Espíritu Santo los restos de un molino arruinado.
Los datos del censo de 1857 indican que pertenece al partido de Astudillo con 350 habitantes de los que 181 son hombres y 169 mujeres.
Según el arzobispado de Burgos en 1872 hay 70 vecinos, 304 almas, mientras que en 1877 la población de derecho es de 143 varones y 144 mujeres, para un total de 287 personas.
Datos de 1894 indican que cuenta con 8 casas de un piso, 70 de dos, 65 albergues y una población de 262 habitantes de derecho.
La localidad estaba formada por dos barrios, que en su momento correspondían a sendas parroquias. Entre medias, en el paraje conocido como "Las Bodegas", se emplazaba una fortificación que, según afirma Pascual Madoz en su Diccionario Geográfico-Estadístico-Histórico, dominaba la población y del que a mediados del siglo XIX aún quedaban vestigios.
Según Manuel Vallejo del Busto, también figuraba señalado como tal en el mapa que Francisco Coello realizó de la provincia de Palencia en 1852.
Actualmente numerosas bodegas están excavadas en la pequeña loma donde se emplazaba el castillo, habiendo desaparecido todo resto de la antigua fortificación.
También se sabe que existió un palacio, perteneciente a los marqueses de Viñuela. Se trataba de una casa fuerte amurallada y almenada, que contaba con un salón cubierto con un rico artesonado tallado en madera de pino sin pintar. En este espacio de 20 por 9 metros se celebraba el baile del pueblo.
Según se indica en el Catálogo Monumental de la Provincia de Palencia en 1921 fue destruido y vendida su piedra y parte de su maderamen a vecinos de Astudillo. En 1930 entre las ruinas aún se veían restos del adorno de una ventana con bolas y un pequeño escudo en una dovela de la puerta de entrada.
Destacar en la localidad la iglesia parroquial dedicada a San Martín, que se reconstruye en el siglo XVIII sobre otra más antigua, probablemente gótica que cuenta con una pila bautismal del XVI. A un kilómetro de la localidad la pequeña ermita del Santo Espíritu, y los vestigios del priorato de la Granja o Quinta a unos 3 kilómetros.
Dentro de su término municipal se encuentra el pequeño lugar de San Cebrián de Buena Madre, con su iglesia gótica del siglo XV dedicada a Santa Juliana y el palacio fortificado de los Múgica.