La villa de Castrillo de la Vega nació para la Historia tras la conquista de la plaza de Aza en el año 912, por don Gonzalo Fernández, conde de Lara. Don Gonzalo es el progenitor de Fernán González, el buen conde que unificará a Castilla en un solo condado. A partir de esa fecha, el dispositivo de defensa de las tierras castellano-cristianas frente a las árabes-musulmanas permitía colonizar un amplio abanico de campos que comprendía toda la orilla derecha del Duero, actualmente burgalés y parte de la izquierda por donde discurre el río Aza. La gloriosa villa de este nombre hacía de escudo protector, juntamente con Roa, San Esteban de Gormaz y Osma.
El poblamiento de Castrillo de la Vega se estableció como punto de apoyo en la defensa y de ahí su nombre castrense. Pero este Castrillo añade un componente pacífico y agrícola y por eso apellida de la Vega; vega a la que entonces vivificaba el caudal modesto del riachuelo de Valpedrizo, nacido en el alto del Blanco (921 m). Hoy, además del Duero, riegan el término de Castrillo de la Vega, el dicho riachuelo y el caudal de Guma.
La villa nació bajo un régimen administrativo nuevo en Castilla: la Comunidad de Villa y Tierra. Se agotó entonces el sistema de alfoces y de merindades y se instaló el de Comunidad. Castrillo de la Vega fue encuadrado en la Comunidad de Aza, que abarcaba otras 20 poblaciones que disfrutaba de amplios fueros en todos los aspectos de la vida. Aza regía todos los destinos de sus villas y a ella acudían los vecinos de Castrillo: Villa perteneciente a la antigua Comunidad de Villa y Tierra de Aza, 1​ jurisdicción de señorío cuyo alcalde ordinario era nombrado por el conde de Miranda.
A la caída del Antiguo Régimen queda constituida como ayuntamiento constitucional del mismo nombre en el partido de Aranda de Duero, región de Castilla la Vieja, 2​ que en el Censo de la matrícula catastral contaba con 141 hogares y 569 vecinos. La administración del Plantilla: Siglo XIX adjudicó la villa de Castrillo al partido de Aranda de Duero, en el que permanece.