El origen de este asentamiento debió estar en un castro o recinto fortificado, y del diminutivo del vocablo romance “castrum” procedería el toponimo actual Castrillo; ha sido denominado sucesivamente como Castrello de doña Eilo en el siglo XI, Castrel de Onnielo a mediados del siglo XVI, Castriel don Elo poco después, Castrillo Donyelo en el siglo XVI y, ya a mediados del siglo XVIII, Castrillo de Onielo o de la Peña, éste por estar asentado el lugar sobre un cerro, por lo que muy bien podría haber estado poblado en épocas celtibérica y romana.

Fue reconquistado, repoblado y fortificado por Alfonso III a finales del siglo IX, debiendo ser sus murallas muy fuertes, como demuestra la Puerta del arco y restos de las mismas.

A mitad del siglo XIV el ya despoblado pueblo cercano de Sombrión disponía de una iglesia dedicada a Santiago, siendo en esta época Castrillo lugar de behetría y era señorío natural de Juan Rodríguez de Torquemada, los Lara, los Aza, etc.

Existía en ese tiempo una judería y, a principios del siglo XVI, había en la villa un monasterio de religiosas canónigas de San Agustín, aunque ya en este siglo XVI Sombrión era un despoblado.

A mediados del siglo XVIII, era Castrillo villa de realengo y disponía de 230 vecinos, estaba comprendida en su término la mitad de la villa y la ya despoblada villa de Renedo de la Vega de Cerrato. Permaneció siendo realengo en el siglo XIX, con ya 531 habitantes, su templo advocaba ya a Ntra. Sra. de la Paz y disponía de dos ermitas: Ntra. Sra. de Villabustos y Ntra. Sra. del Cortijo; había dos molinos harineros, tres puentes de piedra.

La iglesia de Ntra. Sra. de la Paz, de estilo románico, data su construcción de finales del siglo XIII, aunque parte de sus naves son del XVII, es de piedra, con tres naves y la torre, barroca de 1682. Destaca, en la nave del Evangelio, una escultura de Cristo en la Cruz; en el Presbiterio, una Virgen con el Niño de Pedro de Ávila y en la nave de la Epístola un retablo renacentista del S. XVI y otro barroco del XVIII.

Son dignas de apreciar además una escultura gótica de Cristo en la Cruz del siglo XIII, dos cetros góticos de plata de fines del S. XV y, sobre manera, su Cruz parroquial de plata, en la segunda mitad del S. XVI.

Castrillo de Onielo ha pasado de tener 531 habitantes en 1850, a 807 en 1900, 848 en 1930, 856 en 1960 tan sólo 146 en 2005.