Según los estudios realizados recientemente, el actual municipio de Peñamiller estuvo poblado por grupos serranos desde hace más de veinte siglos, así lo demuestran los petrograbados que se encuentran en la rivera del río Extorás, los que tienen dicha antigüedad. Otra evidencia son los objetos y figuras de cerámica de personajes encontrados en La Plazuela, Camargo y Alto Bonito, que datan del Siglo VIII.

Estos objetos tienen influencia Tolteca y entre las que se encuentran figuras femeninas que pueden ser sacerdotisas, de una gran señora o diosa Quechquemitl y un enredo alrededor del cuello y en las orejas unos pendientes largos y grandes, pipas y diversos animales. También se encuentran los petroglifos y petrograbados de Río Blanco, El Soyatal, El Mirador, El Puerto del Cobre, La Mesa de los Chilitos, La Cueva del Caballo, y La Cruz del Milagro.

En las minas que han sido redescubiertas y trabajadas, preferentemente en el Soyatal, se han encontrado algunos utensilios que posiblemente fueron usados por los indígenas para extraer los metales. Se cree que los mineros prehispánicos tenían conocimiento del uso del mercurio para separar el oro de la plata y otros metales. El cinabrio era comercializado para los ritos religiosos y pinturas; éste era objeto de una extensa comercialización que se puede remontar al final del clásico y principios del posclásico (800 a 900 d. C.) en el auge de los grupos serranos. Posteriormente estos grupos serranos debieron abandonar la región por motivos ignorados.

Peña Millera era el nombre correcto que con el tiempo hará el actual de Peñamiller.

El 7 de octubre de 1833 la Constitución Política del Estado de Querétaro, registró a Santa María Peñamiller (antes Santa María Peña Millera) y es municipalidad del distrito de San Pedro Tolimán.

Con el arribo de los conservadores al poder, la República Mexicana se dividió en departamentos y los departamentos en partidos y en municipalidades por lo que Santa María Peña Millera, pasó a pertenecer al distrito de Cadereyta.

El gobernador Don Manuel López de Ecala (1830 –1832) gobernó un poco más de la mitad del tiempo constitucional. Fue un hombre que tenía una visión muy clara de lo que su gestión debería superar: la base de la paz, era la libertad; y el cultivo del tabaco era sumamente codiciado por lo que debía dejarse libre, dando garantía de compra para la fábrica de cigarros. El impuesto y la garantía en la compra, pagaban lo que dejaba en el estanco y todavía quienes vendían afuera; pagaba la alcabala; quitaba el estanco y dejaba totalmente libre la siembra y la venta del tabaco cosechado. Esta libertad, le dio gran popularidad.

El 16 de mayo de 1917, en la Ley Orgánica del Municipio Libre en el Estado de Querétaro, del 31 de diciembre de 1916, Peñamiller (antes Santa Maria Peñamiller) no fue consignado como municipalidad, se le asignó la categoría de Villa en la municipalidad de Colón.

El 16 de septiembre de 1917, con la Constitución Política del Estado Libre y Soberano de Querétaro Arteaga, Peñamiller pasó a formar parte de la municipalidad de Tolimán al suprimirse la municipalidad de Colon.

El 24 de noviembre de 1917, la Ley Orgánica del Municipio Libre del Estado de Querétaro indicó que Peñamiller era Villa en la municipalidad de Tolimán.

La revolución mexicana se hizo presente en los distintos enfrentamientos que se suscitaron entre el ejército y los diversos grupos. En un enfrentamiento entre el ejército y los zapatistas en el Real de Xichú, murió en combate el coronel Elías Medellín, vecino de Peñamiller, el 31 de enero de 1918.

En el mes de octubre de 1918, se desarrolló una peste con el nombre de gripe. Muy pocas personas escaparon del contagio. De tantos que morían, se dio el caso que los mismos cargadores quedaron moribundos en el camino. Algunas personas la combatían con remedios caseros los cuales consistían en una toma de mezcal y limones exprimidos, de ponches de borraja, de naranja o canela con azúcar, caliente, con refino o catalán. Y como untura en la cabeza y coyunturas, se usó manteca mezclada con cal viva, rosa de castilla y tequezquite. Para combatir la tos se usaron los medios ordinarios, entre ellos muchos días se tomó agua caliente.

El día 10 de febrero de 1920 se llevó a cavo la bendición de la reedificación y decorado del templo de Santa Maria de la Asunción de Peñamiller. La obra la emprendió en 1918 el Pbro. Ignacio Martínez, quien después de formar la junta local para deliberar lo referente y concerniente al trabajo material del templo, le encomendó el trabajo al artista de pintura Don Manuel E. Olvera, originario de Querétaro y vecino del pueblo de Peñamiller.