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En la carta de fundación de la villa, de 1333, aparecen los dos nombres que ha llevado: Legutiano o Legutio, y Villarreal de Álava. Villarreal, a veces escrito Villa Real, fue el nombre común desde la fundación hasta las últimas décadas del siglo XX. Alude a la condición de villa de realengo que tuvo al fundarse en el siglo XIV, aunque entre 1371 y 1683 fue villa de señorío. Es un nombre común a bastantes fundaciones medievales. El apelativo «de Álava» ya figuraba en la carta puebla, pero en época moderna se la llamaba habitualmente Villarreal a secas; en la década de 1910, a recomendación de la Real Sociedad Geográfica, se cambió el nombre oficial a Villarreal de Álava, para evitar que hubiera otras localidades con la misma denominación oficial en España.
En 1979 Euskaltzaindia propuso como forma normativa en euskera Bilerle, que era como los vascoparlantes del lugar pronunciaban Villarreal; no tuvo éxito y quedó arrinconada. También se ha usado Legutiano, en euskera y en castellano, y hoy el ayuntamiento ha adoptado Legutio como nombre oficial (Boletín Oficial del País Vasco, 10 de marzo de 2010), de acuerdo con Euskaltzaindia. Para Legutiano y Legutio las fuentes consultadas no ofrecen una explicación del significado.
La villa fue fundada en 1333 por Alfonso XI de Castilla. El rey tomó como base la población de Legutiano, situada cerca del límite de Álava con el señorío de Bizkaia, le cambió el nombre, le dio fueros y jurisdicción sobre varias aldeas cercanas: Urrúnaga, Gojáin, Urbina, Anguelu, Nafarrate y Elosu. De esas seis, Anguelu se despobló y Nafarrate se convirtió en barrio de Urrúnaga; las otras cuatro siguen siendo concejos agregados al municipio, con cierta autonomía.