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El nombre actual de Palenzuela se originó a partir de Pallantia Comitis, «Palencia del Conde», que permitía distinguir esta villa de la otra Pallantia, la actual Palencia. La villa de Palenzuela perteneció desde sus orígenes al condado de Castilla, y no al reino de León como la ciudad de Palencia. El nombre evolucionó a través de Palenciola y otras formas hasta la actual.
En la villa se han recogido restos de época celtíbera y hay una necrópolis celtibérica de gran extensión, que da idea de su importancia en la época de las luchas contra Roma. Estos restos nutren en gran parte el museo diocesano de Palencia. La villa recibía el nombre de Pallantia, de la que hablaron las escrituras romanas porque ofreció una gran resistencia a ser conquistada. Es difícil determinar si pertenecía al pueblo vacceo o al arévaco, y por eso también es difícil distinguir esta Pallantia de aquella de la que derivó la actual Palencia.