En el siglo XI ya se mienta la localidad como Stadellum, aunque su término ya estuvo poblado en época romana, siendo en 1059 cabeza de un Alfoz. El rey Alfonso VII en 1147 la concede Fueros, que son ratificados y ampliados más tarde por Fernando III el Santo, que convierte la villa en una importante plaza fuerte.
Desde que en 1135 Alfonso VII cede la fortaleza a Rodrigo Fernández Castro, permanece bajo el control de la familia de los Castro hasta que cae en poder de los Lara, pasando de nuevo a la Corona tras ser vencidos por Fernando III.
Ostentan el señorío a lo largo de la historia diversas reinas, siendo la primera Leonor de Aquitania, esposa de Alfonso VIII de Castilla, desde 1170 hasta su muerte, a principios del XIII, que la sucede su hija Berenguela, madre de Fernando III el Santo, que en 1219 la entrega en arras al casarse con la reina Beatriz. En 1248 pertenece a la esposa de Alfonso X, doña Violante.
La sucede María de Molina quien a finales del siglo XIII ha de hacer frente al rebelde Juan Núñez de Lara que había tomado el castillo por la fuerza y poco tiempo después es derrotado en los campos de Astudillo.
En 1341 Alfonso XI cede el señorío a doña Leonor de Guzmán que lo disfruta hasta la subida al trono de Pedro I el Cruel, que convierte la localidad en su residencia habitual. En 1353 concede el señorío a Beatriz, primera hija que tuvo con María de Padilla, que ese mismo año había fundado el convento de Santa Clara.
Por concesión de Enrique II en 1366, el señorío pasa a la familia Tovar, en concreto al Almirante Fernán Sánchez de Tovar. El comportamiento despótico de esta familia deja mal recuerdo en la villa y dio lugar a bastantes quejas de los vecinos que en ocasiones reciben el apoyo real.
A mediados del siglo XV, Juan de Tovar, señor de Astudillo, al igual que su cuñado Alonso Enríquez de Quiñones, poseedor de las fortalezas de Palenzuela, Hornillos y Cordovilla la Real, participan en la rebelión contra el favorito del rey, Álvaro de Luna, teniendo que refugiarse en Aragón tras la derrota sufrida en la batalla de Olmedo.
Juan II acude a la villa a rendir el castillo, pero el alcaide Beteta se niega a rendir la fortaleza, a pesar de estar hostigada por el fuego de un trabuco situado encima de la puerta de San Martín. A los pocos días una saeta disparada por orden del alcaide contra el palacio del rey, provoca un nuevo asalto contra el castillo, que es tomado por las tropas reales a costa de muchas bajas. Apresado el alcaide, pagó su desobediencia y osadía con la muerte y descuartizamiento.
Desposeído Juan de Tovar del señorío de Astudillo, es entregado por Juan II a la familia Mendoza, futuros condes de Castrogeriz. Restituidos los bienes a los rebeldes, tras el perdón real, retorna Juan de Tovar a la villa, aunque el nuevo alcaide no le entrega la fortaleza, lo que provoca que, tras nuevos enfrentamientos, termine por marcharse a Aragón al no conseguir tomar el castillo.
En 1520 la villa se adhiere al levantamiento comunero y se une a la Junta de Burgos. Fue una de las localidades que visitó el Obispo Acuña en su recorrido por Campos. A mediados del siglo XVIII pertenece al Conde de Castro y de Ribadabia, ascendiendo la población a 643 vecinos y contando el núcleo urbano con 561 casas habitables y 4 arruinadas.
Durante la Guerra de la Independencia, en 1811, fue ocupada por un batallón del ejército francés al mando del coronel Simon Robert. Pagó más de un millón de reales entre avituallamiento e imposiciones fiscales a franceses y a las partidas de guerrilleros.
A mediados del siglo XIX, durante la segunda guerra carlista, llega hasta la localidad el general Espartero en persecución del mariscal carlista Miguel Gómez. Por esas fechas tenía la localidad 798 vecinos, 4.151 almas, con 1.000 casas distribuidas en más de 100 calles.
En 1881 recibe por Orden Real el título de Muy Noble e Ilustrísima villa.