Aunque en el término de Colmenarejo no se han hallado hasta la fecha restos significativos anteriores a la Edad Media, esto no significa que la zona estuviera completamente deshabitada en tiempos prehistóricos. Al igual que en otras áreas del piedemonte de la Sierra de Guadarrama, es muy probable que pastores o grupos seminómadas del Neolítico o de la Edad del Bronce aprovecharan los recursos naturales de la zona —agua, caza y abrigos rocosos—, aunque la falta de campañas arqueológicas sistemáticas impide confirmar con certeza una ocupación estable anterior al Medievo.

Los primeros vestigios seguros de presencia humana pertenecen a época medieval. Se ha documentado una necrópolis altomedieval situada en una zona del piedemonte, compuesta por al menos seis tumbas antropomorfas orientadas hacia el este. No se ha podido precisar su datación exacta, pero podrían corresponder al periodo de la repoblación cristiana posterior a la Reconquista del valle del Tajo, un fenómeno habitual en otros enclaves similares de la sierra madrileña.

Durante siglos, el territorio de Colmenarejo quedó en una zona de frontera difusa entre las tierras musulmanas del valle del Tajo y los territorios cristianos al norte del sistema Central, lo que dificultó el asentamiento humano estable. No será hasta el avance definitivo de la Reconquista y la consolidación del Reino de Castilla cuando comiencen a fundarse núcleos rurales de manera permanente en la región.

El nacimiento de Colmenarejo como núcleo estable debe situarse a comienzos del siglo XIII, coincidiendo con la expansión del concejo de Segovia hacia el sur de la sierra. La vocación ganadera de los segovianos impulsó la fundación de pequeños asentamientos estacionales o permanentes a lo largo de las vías pecuarias. Colmenarejo —denominado en algunos documentos como Colmenar de Don Mateo— surgió en este contexto, vinculado a la Cañada Real Segoviana y a otras rutas trashumantes.

En 1208 aparece documentado dentro del sexmo de Manzanares, integrado en la Tierra de Segovia. En 1287, Sancho IV confirmó su pertenencia a este territorio, aunque pocos años después, en 1294, volvió a manos del Concejo de Madrid por una nueva sentencia real.

En el Siglo XIV, Fernando IV en 1312 devolvió estos terrenos al ámbito segoviano mediante ejecutoria real. Esta inestabilidad jurisdiccional fue habitual en la comarca durante la Edad Media. A partir de este siglo, como sucedió en gran parte de Castilla, estos territorios comenzaron a convertirse en señoríos nobiliarios. Así, Colmenarejo acabaría integrándose en el poderoso señorío del Real de Manzanares.

En el Siglo XV el Real de Manzanares pasó a manos de la familia Mendoza el 8 de agosto de 1445, quienes lo transformaron en un señorío con jurisdicción plena. Colmenarejo quedó desde entonces bajo su control directo.

En el Siglo XVI, la iglesia de Colmenarejo en 1564 se independizó de la parroquia de Galapagar gracias a un breve de Pío IV promovido por Felipe II, quien solía detenerse a oír misa en su camino a San Lorenzo. El templo fue consagrado a Santiago Apóstol.

En el Siglo XVII Colmenarejo en 1639 logró la ejecutoria de villazgo, convirtiéndose en municipio independiente tras siglos de dependencia de Galapagar. A pesar de esta autonomía, continuó bajo el señorío del duque del Infantado.

Durante el Siglo XVIII, en el Catastro de Ensenada de 1751, el pueblo contaba con 59 vecinos, aproximadamente el mismo número de casas, varios pajares, una bodega y cinco solares ruinosos. Su economía era de subsistencia agrícola y ganadera, y sufrió un ligero retroceso poblacional hacia finales del siglo. Además, se explotaron minas de cobre o plata, aunque pronto fueron abandonadas. El caserío estaba compuesto por viviendas de granito con cubiertas de teja curva y seguía un trazado orgánico alrededor de la Cañada Real.

A comienzos del Siglo XIX, Colmenarejo aún era una villa de señorío, dependiente de la poderosa casa ducal del Infantado. No obstante, con la abolición de los señoríos en 1812 por las Cortes de Cádiz, pasó a ser un municipio libre, como tantas otras localidades castellanas. La reforma territorial de Javier de Burgos de 1833 lo adscribió definitivamente a la provincia de Madrid, abandonando su anterior pertenencia a Guadalajara. Desde entonces, Colmenarejo integró el nuevo sistema provincial y formó parte de un modelo administrativo más centralizado.

En cuanto a su evolución demográfica, en 1827 contaba con 58 vecinos (unos 187 habitantes). Sin embargo, a mediados de siglo, según el Diccionario de Madoz, la cifra bajó a 44 vecinos (170 habitantes), lo que refleja una cierta regresión poblacional durante la primera mitad del siglo. En 1889, se observó una notable recuperación, con 90 vecinos (376 habitantes) y 80 casas agrupadas en 4 calles y una plaza. A pesar del crecimiento, estas calles eran descritas como "estrechas y mal cuidadas", lo que evidencia un caserío aún muy rural y sin apenas servicios.

Urbanísticamente, el casco mantenía un trazado orgánico e irregular, con calles estrechas articuladas en torno a la Cañada Real, y construcciones de arquitectura popular serrana: viviendas de granito, con dependencias agropecuarias y corrales. A partir de mediados de siglo comenzaron a aparecer viviendas de recreo, como las situadas en la calle Madrid o Plaza de la Constitución, reflejo de los primeros signos de transformación residencial.

Durante el Siglo XX, la población fue aumentando progresivamente, especialmente tras los años 50 con la transformación de viviendas de temporada en residencias permanentes. Se pasó de 368 habitantes en 1900 a más de 2.900 en 1995, con picos de 10.000 personas los fines de semana. En 1929, el ayuntamiento fundó la Colonia de Santiago, como residencia veraniega.

La economía mantuvo su carácter rural hasta mediados de siglo, cuando empezó a cobrar importancia la construcción de viviendas y urbanizaciones, como Prado Ibarra, Los Escoriales o Parque Azul. Las actividades agropecuarias declinaron notablemente. Se construyó un polideportivo municipal en 1982 y se habilitó el conjunto de la Finca La Fuenfría como granja escuela, aunque luego fue abandonada. También destaca la construcción del embalse de Valmayor en los años 60, una infraestructura clave para el abastecimiento de Madrid, junto al viaducto de la carretera Galapagar-El Escorial y una estación de tratamiento de agua potable.

En cuanto al planeamiento urbano, en 1995 se aprobaron nuevas normas para ordenar el crecimiento urbanístico, adaptándose a la demanda de suelo residencial. Se proyectaron zonas verdes, equipamientos culturales, deportivos y educativos. Uno de los proyectos más ambiciosos fue la cesión de terreno para el futuro campus de la Universidad Carlos III, que incluiría una residencia y aulas para postgrados y enseñanzas de derecho y economía.

A comienzos del Siglo XXI, Colmenarejo consolidó su transformación de pequeño pueblo ganadero en un municipio residencial de creciente dinamismo, cada vez más vinculado al entorno metropolitano de Madrid. El proceso de urbanización iniciado en las décadas anteriores continuó con la construcción de nuevas viviendas, sobre todo unifamiliares, tanto en las urbanizaciones del extrarradio como en nuevas promociones en los bordes del casco histórico.

Aunque la agricultura y la ganadería tradicionales han quedado prácticamente reducidas a una actividad testimonial, su legado sigue presente en el paisaje, en algunas construcciones rurales y en el carácter del núcleo histórico. La caza, antaño muy practicada, también ha disminuido notablemente. En contraposición, el sector servicios y el comercio de proximidad han experimentado un notable crecimiento, impulsados por la población residente y por los visitantes de fin de semana.

Uno de los proyectos más significativos de este siglo ha sido el desarrollo del campus universitario de la Universidad Carlos III, que ha situado a Colmenarejo en el mapa académico de la Comunidad de Madrid. Esta infraestructura ha traído consigo una dinámica juvenil y cultural renovada, además de nuevos servicios asociados a la vida universitaria. El planeamiento urbanístico ha continuado su proceso de revisión y adaptación, con el objetivo de equilibrar el crecimiento residencial con la preservación del entorno natural y el patrimonio histórico. Las actuaciones recientes han buscado dotar al municipio de espacios peatonales, zonas verdes y equipamientos públicos adecuados a las necesidades actuales.

Por otro lado, el entorno natural, marcado por la proximidad del embalse de Valmayor y los paisajes del piedemonte serrano, se ha convertido en un reclamo tanto turístico como de calidad de vida. Las rutas de senderismo, las áreas recreativas y los valores medioambientales del término municipal son hoy un componente esencial de la identidad local.