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.
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. 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.
El 7 de octubre de 1833, la Constitución Política del Estado de Querétaro registró a Santa María Peñamiller (antes Santa María Peñamillera) como 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 Peñamillera, pasó a pertenecer al distrito de Cadereyta.
El 24 de abril de 1941, bajo decreto de Ley N° 55, se registró a Peñamiller como Municipio Libre con localidades segregadas del municipio de Tolimán y obtuvo la categoría de Villa. El 1 de octubre de 1970, la Ley Orgánica del Municipio Libre del Estado de Querétaro, le da a la Cabecera Municipal de Peñamiller la categoría de población.
El municipio de Peñamiller se localiza geográficamente al Norte del estado de Querétaro, en pleno semidesierto queretano y se le ha definido como la puerta de entrada a la Sierra Gorda. El municipio de Peñamiller se localiza geográficamente al Norte del estado de Querétaro, en pleno semidesierto queretano y se le ha definido como la puerta de entrada a la Sierra Gorda.
La producción agrícola de Peñamiller comprende la de maíz y frijol intercalado; así como los frutales que generalmente se localizan en las huertas con productos como aguacate, guayaba, chirimoya, durazno, granada, higo, lima, limón, mango, naranja, mandarina, nuez, papaya, zapote y ciruela mexicana; además de la vara de sauz para la manufactura de artesanías
La actividad industrial se dá principalmente en la maquila de ropa en pequeños talleres ubicados en Camargo, Los Encinos, San Lorenzo, Las Enramadas, La Vega, Peñamiller y La Misión de Palmas
Sus principales atractivos turísticos son: El templo y el acueducto de la Misión de Las Palmas, la exhacienda Extoraz, el cañón del paraíso, El Manantial de La Guayaba, los petroglifos, petrograbados y la víbora que baja a tomar agua, el balneario El Oasis, Las pinturas rupestres del Sol y la Luna, las piedras encimadas de agua fría y el Mirador de la Tembladera.