Repoblada en la segunda mitad del siglo IX, la primera mención conocida de Frómista data de 1059, en la que aparece "Frumesta" como lugar perteneciente al obispado palentino. Se la menciona de nuevo en 1066, en el testamento que la reina Doña Mayor, casada con D. Sancho III de Navarra, hace a favor del monasterio de San Martín que ella había fundado en la localidad. También había poblado el barrio del mismo nombre que rodeaba la iglesia.
Esta donación hace que convivan en una misma localidad dos tipos de señoríos independientes, el eclesiástico formado por el monasterio y su barrio, y el secular formado por el resto de la villa, lo que provocará numerosos conflictos en el futuro.
La reina Doña Urraca, bajo la que estaba la jurisdicción y protección del monasterio y barrio de San Martín, los dona a los monjes de San Zoilo de Carrión en 1118.
Por su parte, el resto de la población fue entregado por Alfonso VIII en arras a la infanta doña Berenguela en 1188 con motivo de su boda. En el siglo XIII figuraba como señorío de Juan Diez. A su muerte en 1291 se reparte la villa entre sus cuatro hijos que la venden al poco tiempo pues en 1293 ya estaba en poder de los hospitalarios de Puente Fitero.
En 1325 es señorío de Juan Fernández Padilla que, ante los apuros del monasterio de Carrión, arrienda el Priorato de San Martín por 10 años a cambio de 30.000 maravedís, unificando temporalmente toda la población.
Alfonso XI concede la villa a su hijo bastardo Don Tello en 1339. En el reinado de su hermanastro Pedro I pasa a María de Padilla y tras ocupar el trono Enrique II de Trastámara, vuelve de nuevo a Don Tello. A su muerte, el rey concede el señorío en 1374 al Adelantado Mayor de Castilla, Ferránd Sánchez de Tovar, a quién también entrega el prior de San Zoilo la encomienda del barrio de San Martín.
Durante su gobierno impuso a todos fuertes e injustos tributos, hizo construir un castillo en la iglesia de Santa María y llegó a ser excomulgado por apropiarse de cálices y cruces de la iglesia de San Martín. A su muerte, sus hijas venden la villa en 1385 al Adelantado Gómez Manrique, que también recibe la encomienda del barrio, sobre cuya posesión entabla pleito.
En 1421 su hija Doña María Manrique, tras intentar tres años antes apoderarse del barrio, consigue sentencia favorable del Papa Martín V, en la que se basa para que su marido, el Mariscal de Castilla Gómez de Benavides, asalte la cerca y tome el barrio por la fuerza. La situación se legaliza en 1427 tras una sentencia por la que, a cambio de un pago anual de 50.000 maravedís, la jurisdicción pasa a los señores de la villa.
Durante la Guerra de las Comunidades, ante el avance del ejército comunero y para evitar saqueos como el sucedido en Magaz, la localidad ofreció 500 ducados, aunque vencido el plazo no se pudo reunir esa cantidad, apropiándose el Obispo Acuña de diversos objetos litúrgicos de plata de las iglesias.
Felipe II en 1559 concede a Jerónimo de Benavides el título de Marqués de Frómista, que en el siglo XVIII poseen los Duques de Uceda.
Alrededor del Barrio de San Martín y el priorato se levantaba una cerca que les separaba y protegía del resto de la villa, aunque no siempre logró contener el asalto de los señores de Frómista. En 1384 Ferránd Sánchez de Tovar tomó el barrio, derribando la cerca y matando a un vecino. De nuevo Gómez de Benavides en 1421 asalta la cerca y derriba el campanario de San Martín.
La muralla tenía dos puertas, la de Grajal, que se abría en dirección a Población de Campos, y la de Carremonzón. En 1636 ambas se mantenían aún de pie, según el testamento de un vecino, por el que manda colocar un retablo con la imagen de Nuestra Señora del Rosario sobre la puerta de Grajal.
La antigua iglesia de Santa María del Castillo ya se denominaba así cuando en 1379 Sánchez de Tovar la fortificó, lo que le supuso la excomunión. Hoy no queda nada de la misma ya que, arrepentido en su lecho de muerte, dispuso que se destruyese la fortaleza y sus piedras se usasen para volver a levantar la iglesia.
En Frómista no debe dejar de verse la iglesia de San Martín, construida en el siglo XI, una de las joyas del románico español. Ya del XIV es la anteriormente mencionada iglesia de Santa María del Castillo, y del XV la de San Pedro y la ermita de la Virgen del Otero.
Cercano a esta última se encuentra el Canal de Castilla donde el conjunto formato por cuatro esclusas enlazadas salvan el mayor desnivel del Canal. Por esta zona el Camino de Santiago atraviesa el canal después de haber compartido el mismo trayecto durante los últimos tres kilómetros.