A mediados del siglo X el noble alavés Herramel Álvarez, que se encuentra enfrentado a su padrastro, el conde castellano Fernán González, se refugia en la corte leonesa, donde el rey Sancho I, su primo, le concede una serie de tierras para repoblarlas. En ellas funda una villa a la que da su nombre (Villa Herramel), que permanece en poder de esta familia hasta la muerte de María Álvarez, última de esta estirpe, que deja al pueblo 1.338 obradas de tierra.
Como Villa Ramiel cuenta en 1345 con las iglesias de San Miguel y San Salvador.
En el libro Becerro de las Behetrías, figura como behetría de Juan Alfonso de Alburquerque, quien junto con su mujer Isabel Téllez de Meneses, son señores solariegos de las cercanas localidades de Ampudia, Meneses y Torremormojón y asimismo, de las behetrías de Becerril de Campos, Becerril de Campos, Capillas, Castromocho, Frechilla y Fuentes de Nava. En 1454 Juan II otorga por privilegio la condición de behetría a la localidad. La recaudación por alcabalas en 1477 asciende a 33.500 maravedíes.
Desde siempre Villarramiel se ha distinguido por su actividad de curtido, lo que le sirve para que los Reyes Católicos, concedan a la villa el privilegio de poder examinar y otorgar el título de "maestro" de carda, peine y sastre valedero para todo el reino. La pujanza económica de la villa hace que las recaudaciones por alcabalas aumenten a 126.812 maravedíes en 1514, incrementándose poco a poco hasta alcanzar los 142.000 maravedíes en 1529.
Durante al guerra de las Comunidades, a pesar de ser pueblo de realengo, no tarda en sumarse a la revolución castellana con hombres y dinero, quizás movidos por el exceso de tributos que pagan. Al igual que otros pueblos de la comarca, tras el triunfo de las tropas reales en Villalar, tiene que hacer frente a los gastos de avituallamiento y alojamiento del ejército enviado para expulsar a los franceses de Navarra con una contribución de 130 ducados.
La localidad cuenta en 1528 con 224 vecinos pecheros que pagan 45.410 maravedís para atender los "Servicios de Su Majestad". Vecindario que aumenta en 1591 hasta 343, de los que 331 son pecheros y 12 forman parte del clero secular.
En 1592 Felipe II, a pesar de la confirmación hecha en 1581 por el propio rey de ser Villarramiel villa de behetría, crea el marquesado de Frechilla y Villarramiel que dona a Duarte de Braganza para cumplir la promesa hecha en el momento de la anexión de la Corona Portuguesa a España. También se apodera de los bienes propios del concejo y los vende en pública subasta, aunque más tarde, tras ganar la localidad el pleito puesto ante el Concejo de Hacienda, su hijo Felipe III tiene que devolverlos.
Para el suministro de sal depende del alfolí de Rioseco en 1631, al que solicitan 74 fanegas de sal al año, aunque se les estima un consumo de 180 fanegas. La localidad cuenta con 197 vecinos en 1646.
En el censo de 1712 figura con 168 vecinos entre los que se encuentran 20 viudas consideradas como 10 vecinos y 50 pobres. Hay además 15 mendicantes y 1 hidalgo y 2 familiares que no tienen la consideración de vecinos.
Todavía aparece en 1751 como señorío de la Condesa de Oropesa con una población de 376 vecinos y un casco urbano formado por 341 casas habitables, además de una arruinada.
La villa dispone de 1.734 habitantes en 1768, de los que 849 son hombres y 885 mujeres. Tres años más tarde se conoce la existencia de 16 cofradías que celebran al menos una función al año cuyos gastos pagan los propios cofrades al carecer la mayoría de ingresos o no ser estos suficientes.
El día de las Candelas de 1776 es trágico para la localidad, la torre de piedra de la iglesia de San Miguel se desploma sobre los fieles que se encuentran en su interior, perdiendo la vida más de cien vecinos.
Datos del censo 1787 señalan que la villa es de realengo, pertenece a la intendencia de Palencia y al partido de Campos. Dispone de una población de 2.003 habitantes, 990 varones y 1.013 mujeres, que están bajo la autoridad de un alcalde ordinario. Por ocupaciones hay 301 comerciantes, 62 jornaleros, 46 artesanos, 13 fabricantes, 8 criados, 7 estudiantes, 7 labradores, 2 escribanos, 1 empleado Real y 1 de la Inquisición. Además, relacionados con la iglesia, hay 8 beneficiados, 2 acólitos, 2 de órdenes menores, 1 teniente de cura, 1 cura y 1 sacristán.
La Guerra de la Independencia afecta a la villa principalmente en el aspecto económico, al verse obligada a vender los bienes propios para pagar las contribuciones de guerra.
En 1828 cuenta con 689 vecinos, 3.500 habitantes. Poco después, en 1850 son 693 vecinos, equivalentes a 3.605 almas, que ocupan una población formada por 730 casas de mediana construcción distribuidas a lo largo de 46 calles y dos plazas. El presupuesto municipal en esa fecha asciende a 43.000 maravedíes.
Becerro de Bengoa en 1874 informa de que la villa dispone de 3.027 habitantes y 712 casas. Tres años más tarde se censa una población de derecho de 3.279 personas con 1.589 hombres y 1.690 mujeres.
En 1894 el caso urbano existen 18 edificios de una planta, 865 de dos y 10 de tres o más plantas. Por su parte, la población de derecho asciende a 3.526 personas.
Al igual que otras localidades cercanas, su caso urbano estuvo rodeado de una frágil cerca de tapial que ya debía de estar construida a finales del siglo XI puesto que la iglesia de Santa María, construida en 1083, se sitúa extramuros de la villa. Esta muralla que encerraba una superficie de 12,2 hectáreas, se conservó hasta bien entrado el siglo XVIII. Hoy sólo quedan unos pocos datos como recuerdo de su existencia.
Tuvo varias puertas que daban al campo, siendo la principal la conocida como vieja de Santa María o sencillamente puerta de Santa María, situada en la calle que desde el Corro conduce a la iglesia del mismo nombre, que se emplazaba extramuros de la villa, cercana a la muralla que llegaba hasta el arroyo de Santa María.
También se conoce el nombre de otra de las puertas, la de San Miguel el Viejo, que daba salida a la actual carretera que une Palencia con Villalón.
Es probable que existiese otra que permitiese el acceso a la desaparecida iglesia de San Salvador, asimismo situada fuera de la cerca, en el hoy conocido como Corrillo de San Salvador.
Destacan en su casco urbano los edificios religiosos, como la mencionada iglesia de San Miguel, que presenta una portada renacentista, aunque el resto de la construcción es neoclásica; la iglesia gótica de Santa María con una torre mudéjar asentada sobre muros de piedra. También se conserva una ermita barroca dedicada a la Virgen de las angustias. Entre las obras civiles existen varios edificios modernistas del siglo XIX, característicos de la burguesía urbana, entre los que se encuentra el antiguo Hospital Doña Blasa, hoy convertido en residencia de ancianos.