Su nombre significa "Villa de Nuño"
Los restos arqueológicos más antiguos son dos posibles villas romanas, situadas en el término de Fuente Pape y junto al propio pueblo. 3​
Época Romana
El territorio de Villanoño estaba en un ángulo muerto de las principales vías romanas: la vía I de Italia a Hispania, que discurría por el sur Sasamón, y otra secundaria que lleva a Amaya. Por este motivo, el asentamiento romano Altoimperial del yacimiento de Fuente Pape/Raigón (inventariado con referencia 09-427-0027-01), compartido con el municipio de Villegas, término de Villamorón, presenta una escasa entidad, al igual que los demás del ámbito municipal de Villadiego. Fue un asentamiento habitado tipo villae.
Sin poder atribuirlo con precisión al periodo Altoimperial o bien al Tardorromano, hubo otro asentamiento de tipo villae en el denominado yacimiento Villanoño I, a pocos metros al norte del casco urbano.
Edad Media
El 18 de marzo de 1068 Sancho II de Castilla restaura la Diócesis de Oca y, entre otros le dota in Uillanonno una diuisa. La sede episcopal se traslada más tarde a Burgos, que debe ser heredera de las posesiones, pues consta, en 1096, una permuta de una tierra en Villanoño de dicha archidiócesis con un matrimonio.​
En un documento del 7 de julio de 1074 figura como Villa de Nonno
Alrededor de estas fechas (fines del s. XI), Villanoño estaría encuadrado en el Alfoz de Treviño.
Consta, en 1157, que el Monasterio de San Juan de Burgos recibe la mitad de una heredad en Villanoño (Villa Nonno).
En 1178 el rey Alfonso VIII da a ese monasterio, entre otros una serna6​ llamada Holga. Esto se repite en 1192: illam meam sernam que Volga nuncupatur, que iacet inter Villam Nuno et Sanctum Christoforum de Villadiego. 5​
En 1274 vuelve a aparecer en un documento de dicho monasterio. 5​
En el Libro Becerro de las Behetrías, 1352, aparece, con el nombre de Villa Nonno, como una behetría perteneciente a la merindad de Villadiego, que tenía como señores naturales a don Nuño de Vizcaya, don Pedro de Haro, a los Villegas y a los Tovar. Cada vasallo entregaba a su señor correspondiente, anualmente, una gallina y seis maravedíes. Además, cada vecino, por privilegio real, entregaba a Pedro Ruiz de Villegas dos cargas de pan y 24 maravedíes. 5​2​
En el s. XVI tenía 12 vecinos y una pila (una parroquia).
Edad Moderna
Lugar que formaba parte de la Jurisdicción de Villadiego en el Partido de Villadiego, uno de los catorce que formaban la Intendencia de Burgos, durante el período comprendido entre 1785 y 1833. En el Censo de Floridablanca de 1787 consta como jurisdicción de señorío secular siendo su titular el Duque de Frías, que nombraba alcalde pedáneo. 9​
Antiguo municipio de Castilla la Vieja en el partido de Villadiego.
En el Censo de la matrícula catastral contaba con 8 hogares y 32 vecinos.
Madoz lo describe a mediados del s. XIX como un lugar con ayuntamiento en la provincia, audiencia territorial, capitanía general y diócesis de Burgos. Partido judicial de Villadiego. Situado en una vega, próximo al río Brullés. Clima frío. tiene 45 casas, un antiguo torreón y una iglesia parroquial (San Julián) atendida por un cura párroco. El terreno es de mediana calidad. Produce cereales y legumbres. Cría ganado lanar. Población: 22 vecinos con 32 habitantes. Contribución: 4 461 reales con 25 maravedíes. 10​
Tras la promulgación de la ley municipal de 1854 no pudo mantener la municipalidad, pues se necesitaban un mínimo de 30 vecinos (cabezas de familia) y, según el censo de 1857, su territorio se integra en el municipio de Castromorca que también incluía a Olmos de la Picaza. Según el censo de 1887, el municipio de Castromorca pasa a denominarse Olmos de la Picaza, que sigue incluyendo en su territorio a Villanoño. 11​
El 16 de enero de 1968, Villanoño se integra en el municipio del Villadiego, al extinguirse el de Olmos