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Existen varias hipótesis sobre el origen del nombre de Astudillo, ninguna aceptada de forma general. Para unos procede de época romana y de Estatilio Tauro, un general cuyas legiones operaron por esta comarca vaccea hacia el año 29 a. C. Otros lo asocian con los astures, repobladores llegados del norte con Alfonso III el Magno en el siglo IX. Otra teoría lo relaciona con el «pequeño estudio» que el obispo Conancio trasladó de Palencia a Astudillo, hacia el siglo VII.
Los estudiosos de la toponimia proponen que el nombre se asocie con raíces vasconas y celtas (atd, «peña»; tud, «cueva» o «refugio») que, unidas al diminutivo latino -ellum, formarían el significado de «pequeño refugio en las alturas».
Su origen es antiguo, con restos romanos en sus alrededores. El 10 de mayo de 1147, el rey Alfonso VII de León concedió a Astudillo los fueros de Castrojeriz. En la Edad Media y en la Edad Moderna tuvo un gran desarrollo por su producción textil. Entre 1785 y 1833 formó parte, como pueblo solo, del partido de Castrojeriz, en la Intendencia de Burgos.