Las primeras noticias del pueblo son de 1092 pues pues Nuño Ansúrez dona sus bienes de Villamayor de Treviño a la Catedral de Burgos. Aunque si tenemos en cuenta el apellido Treviño, su historia se remontaría aún más atrás, a la época prerromana. Treviño es un término celta que significa hito triple pues la zona de Treviño era el punto de separación y confluencia de tres tribus prerromanas: Los cántabros (norte), vacceos (sur y oeste) y los turmódigos (sur y este).

Villamayor de Treviño formaba parte de la Cuadrilla de Odra en el Partido de Villadiego, uno de de los catorce que formaban la Intendencia de Burgos, durante el periodo comprendido entre 1785 y 1833, en el Censo de Floridablanca de 1787, jurisdicción de señorío siendo su titular el Duque de Frías, alcalde pedáneo.

Los romanos también estuvieron en el término municipal de Villamayor de Treviño y no es extraño teniendo en cuenta que la antigua ciudad romana de Segisamo (Sasamón) está a sólo 11 kilómetros y que a unos 4 km pasaba una antigua calzada romana de la que quedan unas pocas piedras entre Grijalba y Padilla de Arriba. De los invasores romanos queda en Villamayor un pequeño puente sobre el Arroyo Mayor en el campo llamado de San Juan; además se sabe que hubo una pequeña villa romana en el campo llamado de Santillana donde se han encontrado trozos de terrasigilata.