La comuna de Palmilla fue creada por decreto del 22 de diciembre de 1891, con las subdelegaciones de Palmilla y Calleuque, del departamento de San Fernando. La municipalidad entró en funciones el 6 de mayo de 1894.

En 1899 se le segregó la subdelegación de Calleuque para crear la comuna de igual nombre, actualmente denominada Peralillo.

En 1928, la comuna fue integrada en el departamento de Santa Cruz. Además, se le retiró el distrito Isla de Paniahue (anexado a Santa Cruz), y le fueron incorporados los territorios del distrito Apalta (excomuna de Cunaco) y la comuna de Huique (departamento de Caupolicán).

La «regionalización» de 1976 determinó que la comuna pertenece a la nueva provincia de Colchagua.