El topónimo o nombre de Osornillo proviene de la aglutinación del latino “fusum”, foso, huso o sumidero, más el diminutivo “ur-neum” o húmedo ya en la documentación de la condesa Urraca de 1115 se le citaba como “Osornono de Escarcilla” o fuente embarrada. Luego fue apellidado de “Torrontero” o lugar expuesto a riadas a avenidas de agua.

En Osornillo se ha encontrado de tiempos prehistóricos un importante brazalete que se puede catalogar, con algún problema cronológico, en el bronce Final II o acaso en el III, similar a otro brazalete hallado en la localidad de Fuentes de Valdepero conforme a sus características morfológicas y temas decorativos.

Sería repoblada la villa en los años finales del siglo IX, aunque, según el brazalete citado estaba poblada en tiempos anteriores.
Sánchez Albornoz clasifica a Osornillo como villa realenga y la denomina Osorno de Torrontero, no tomando la forma diminutiva de Osornillo hasta el siglo XV para distinguirle de Osorno.

A mediados del siglo XIV contaba la localidad con dos iglesias, la de San Cristóbal y la de Santa Maria. Había cerca de Osornillo otra villa, ya despoblada llamada Quintanilla de Ciñorias y su iglesia advocaba a San Andrés. Cerca se ubicaban también las localidades de Abádanes: la de Abajo, la del Medio, y la de Arriba, quedando la iglesia de San Carlos de Abádanes, hoy panera.

Según el Becerro de Behetrías de 1352 Osorno de Torrontero era lugar de behetría de Fernando García Duque y tenía por señores naturales a los de Lara, Vizcaya, etc.

A finales del siglo XVI, Osornillo contaba con 46 vecinos pecheros que pagaban impuestos y pertenecía a los Concejos de la Tierra y jurisdicción de Herrera.

Ya a mediados del siglo XVIII, Osornillo pertenecía al Marqués de Alcañices, conde de Gramal, tenía 63 vecinos, dos clérigos y seis viudas, contaba con casa-hospital para pobres, fundación unida a la cofradía de San Cristóbal de la vida.

A finales del siglo XVI Osornillo contaba con unos 250 habitantes, hacia 1829 con 270, en 1852 con 320, ya en 1900 disponía de 340, en 1930 con 312, en 1960 con 263, en 1991 con 121, para bajar a tan sólo 72 en 2006.