Proviene el topónimo de Villañuno de la aglutinación del sustantivo latino “villa” (granja, quinta, etc.) más el antropónimo Nonius o Nuño, acaso de origen germánico, por lo que sería lugar de la quinta del repoblador Nuño.
Valdavia es un anexo localizador que hace mención del valle del río Avia, río que pasa por su término municipal. El topónimo de Arenillas de Nuño Pérez proviene de “suelo de margas, con areniscas”, a lo que se anexionó en el siglo XII lo de Nuño Pérez, en alusión al Conde Nuño de Carrión o acaso Munio.
A mediados del siglo XIV Villanuño era lugar de behetría, podía elegir Señor, y eran del famoso y poderoso Juan Rodríguez de Cisneros; pagaban diezmo en el S. XVI al monasterio de San Pelayo de Arenillas, cuando la localidad poseía tan sólo 28 vecinos, muchas menos que Villabasta y Villaeles por ejemplo. En este siglo XVI tenía Villanuño tres hidalgos y 37 vecinos pedreros, que pagaban impuestos, lo que daría un total de 202 habitantes. En ese mismo siglo XVI pertenecía el pueblo, como otros cercanos, al Corregimiento de Saldaña. Por los años 1633 y 1639 Villanuño con sus pueblos cercanos soportaron varios pleitos contra la Mesta.
A mediados del siglo XVIII Villanuño era una villa realenga pues pertenecía a su Majestad, si bien las alcabalas las pagaba al marqués de Prado. Tenía entonces la villa 44 vecinos, fragua, hospital, varios tejedores, etc.
A mediados del siglo XIX Villanuño contaba con 114 habitantes y Arenillas de Nuño Pérez con 125, conformando los dos ayuntamiento en 1900 tenían 445 habitantes, en 1930 con 387, en 1960 con 130 y en 2005 con 113.