Villamedianilla, conocida antaño por Villamediana, está asentada en una comarca cerealista. Vivió al principio de nuestra Era una fuerte Romanización como demuestran los hallazgos arqueológicos en el triángulo formado por Pampliega, Los Balbases y Palenzuela. En la reconquista del último tercio del siglo IX nace esta villa enclavada dentro del alfoz de Palenzuela, población de larga historia e importancia que giró en tiempos medievales en la órbita burgalesa, civil y eclesiástica, actualmente en la provincia de Palencia.
Perteneció también Villamedianilla a la Merindad de Castrojeriz. A finales del siglo XII, los monjes premostratenses de Aguilar de Campoó crearon aquí un dominio agrícola para asegurarse el suministro de pan y de vino a su antigua e importante abadía. Les ayudó en el proyecto la célebre dama doña María de Almenar y el mismo rey don Alfonso VIII. Los monjes llegaron con gran acompañamiento de obispos y de magnates y pusieron su monasterio bajo la advocación de Santa María de la Zarza o de Villamediana. Don Alfonso concedió fueros al monasterio y le confirmó en la posesión de sus bienes, a ruegos, declaró doña María de Almenar, aya de la infanta doña Blanca, futura reina de Francia y madre del rey San Luis. El monasterio, cuyas ruinas todavía nos delatan su gallardía, fue abadía hasta 1573, año en el que, con autorización del papa, fue anejada al Colegio de Salamanca que la Orden tenía abierto en la universitaria ciudad. Sirvió de sostenimiento a dicho colegio y de descanso a profesores y alumnos.
En 1835 fue desamortizado y las ruinas se hicieron cada día más tenues. En la reordenación política y tributaria de las Behetrias (1352) Villamedianilla aparece en la Merindad de Castrojeriz. Es señorío de don Diego García de Padilla, hermano de la muy famosa Padilla, la mujer que sorbió el seso y razón del rey Pedro I. Hasta una docena de diviseros rondaban por Villamedianilla. El rey cobraba a los vecinos 155 maravedises por martiniega, más los servicios y monedas cuando eran pregonados. El señor percibía del vecino que poseía un par de bueyes, una fanega de pan (1/3 de trigo y 2/3 de cebada) y del que tenía medio par recibía 2 celemines de trigo y 4 de cebada.
A los diviseros le ayudaba con tributo variante entre 2 y 6 maravedises al año. En las modificaciones administrativas del siglo XIX, Villamedianilla salió de la órbita de Palenzuela y se instaló en la de Castrojeriz. Su población ascendía entonces (1843) a 116 habitantes y así se mantuvo hasta 1950 (114 habitantes). La drástica evolución agraria del último tercio de este siglo ha afectado profundamente a esta Villa.