La primera noticia documentada que tenemos sobre Velilla es del año 1101. Pedro I de Aragón ha conquistado Barbastro y los moros le entregan el castillo de Velilla. Tras la reconquista, en octubre de 1149, empieza una época de repoblación.
Pero es sin duda durante la época romana cuando Velilla vive sus días de mayor esplendor. Su nombre proviene de la voz latina villa, mansión romana de recreo o casa principal del señor de un latifundio. Es posible que en su entorno a esta villa fueran construyendo sus viviendas los moradores de los altozanos vecinos y de cuya existencia tenemos noticias por los restos arqueológicos hallados.
Velilla fue villa de realengo, es decir de protección real. A lo largo de su historia ha pertenecido a varios señores y al monasterio de trinitarias de Aviganya, cuyo señorío concluyó en 1846.