La prima testimonianza scritta riferita a Peglio si ha nel 728 d.C. da Paolo Diacono, il quale riferisce che le milizie di re Liutprando per la seconda volta sono sconfitte presso il Vico di Peglio dall'esercito romano-bizantino.

Considerando che viene usato l'appellativo "VICUS", si suppone che il nucleo murato di Peglio sia di più antica origine, per lo meno risalente al periodo della riforma amministrativa di Diocleziano.
La posizione orografica ne determina una condizione strategica per il controllo dell'alta valle del Metauro, tant'è che divenne "castello" dell'antica Pentapoli montana formata dalle cinque città interne (Montefeltro, Urbino, Fossombrone, Cagli e Luceoli).

La presenza degli "arimanni" all'epoca dello scontro con Liutprando, diede "origine nei secoli successivi a quei gruppi di uomini liberi, discendenti da essi e che rimasero al di fuori della Massa Trabaria in libero comune e che potevano decidere servizi e sudditanze ad altri signori di Urbino".
E' solo nel 1288 per ordine del pontefice Nicolò IV che Peglio viene sottomessa all'amministrazione della Massa Trabaria e, dal 1291, pur essendone fiori dal confine, il Castello di Peglio e la torre vengono assegnati al rettore della Massa e ai suoi funzionari per continuare ad esercitare il loro mandato.
Seppure continuasse a far parte delle terre della Chiesa nel comitato di Urbino e non nella Massa Trabaria, Peglio dal 1334 è sottoposta ai Brancaleoni di Casteldurante, l'odierna Urbania, finché il Cardinale Albornoz non iniziò una ristrutturazione dello Stato della Chiesa che combatté i Brancaleoni i quali nel 1366 persero il Castello di Peglio che successivamente, insieme a Casteldurante, fu inserito nei nuovi confini della Provincia della Massa Trabaria.
Nel 1390 il Papa Bonifacio IX dava Peglio in possesso ad Antonio, conte di Montefeltro, col quale inizia l'epoca del governo dei Vicari comitali e poi ducali.

La storia che non è fatta solo di lotte di potere, registra anche altre vicende che colpiscono un primo luogo le popolazioni nei loro bisogni primari.
Difatti, a seguito del cattivo raccolto del grano nel 1590 che interessò non solo l'Italia, anche Peglio, che pure ne era una buona produttrice, ebbe l'anno successivo una grave carestia che ridusse la gente alla fame, costringendola a divorare "perfino le foglie delle piante" e determinò la riduzione della popolazione che scese a 280 maschi e 313 femmine.

A seguito della morte del duca Francesco Maria II della Rovere avvenuta nel 1631, il ducato di Urbino passa totalmente alla Santa Sede, cosippure Peglio che ne faceva parte e che pertanto finì per dipendere dal Legato Apostolico di Urbino.
Un'ulteriore carestia si ebbe nel 1777 con conseguente indebitamento di Peglio verso il Monte dell'Abbondanza dello Stato della Chiesa per acquistare grano.
Nel 1781 vi fu un terremoto valutato per l'intensità all'ottavo grado della scala Mercalli, che arrecò danni agli edifici pubblici e privati per i quali intervenne la Sacra Congregazione del Buon Governo.

Con l'occupazione francese del 1797 anche a Peglio ci furono dei moti controrivoluzionari con la formazione di bande contadine che in un'imboscata alle Lame di Urbania uccisero il maggiore francese Gérard.
Nel 1801 il comune, che all'epoca comprendeva anche Lunano, aveva 739 abitanti dei quali 505 propriamente di Peglio.
Con la formazione del Regno d'Italia di Napoleone Bonaparte, le Marche vi entrarono con l'editto di Saint-Claud del 1808 e furono organizzate in Dipartimenti. Peglio fu incluso in quello del Metauro, compreso nel Distretto IV di Urbino e nel Cantone di Urbania; in questo periodo contava 848 abitanti, inclusi quelli di Lunano.

Alla caduta nel 1814 del Regno napoleonico, il comune tornò allo Stato della Chiesa fino all'avvento nel 1860 dell'Unità d'Italia, quando fu riconosciuto comune; poi nel 1928, durante il periodo fascista, fu assorbito da quello di Urbania, cioè avvenne quanto già alcuni avevano tentato di realizzare all'inizio dell'Ottocento.

Dal 1947 Peglio ha riconquistato la sua autonomia tornando ad essere comune.