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Hasta la reforma de la nomenclatura municipal de 1916 el municipio se llamaba simplemente Lillo, y en esa fecha pasó a llamarse Puebla de Lillo. «Puebla» es un topónimo frecuente en España que suele deber su origen a la fundación o refundación de una villa sobre la base de una carta puebla otorgada por el rey o, a veces, por un cargo eclesiástico. Parece ser el caso de esta localidad, cuyo emplazamiento actual es consecuencia de la repoblación de Alfonso IX de León, con carta puebla hacia 1212. La segunda parte, «Lillo», puede derivar del latín lilium, «lirio». En leonés se dice Pola de Lillo.
La comarca estuvo habitada desde la Edad de los Metales: se han hallado hachas de bronce en Redipollos, castros en Puebla de Lillo y en Valdeburón, y lápidas vadinienses en La Uña, Armada y Utrero. En la Antigüedad sus pobladores eran los astures y los cántabros vadinienses, que vivían en castros situados en los altos de las montañas y no en los valles. El historiador Joaquín González Echegaray sitúa en Cofiñal el confín de la antigua Cantabria, y el río Porma podría ser, sin límites precisos, la divisoria entre cántabros vadinienses y astures.