Il y a de nombreuses preuves que la région de Vila Real a été habitée depuis le Paléolithique. Des traces d’anciens peuplements, comme le sanctuaire rupestre de Panóias, renvoient à la présence romaine. Mais les invasions barbares et musulmanes ont provoqué un dépeuplement progressif.
A la fin du XIe siècle, en 1096, le comte Henri attribue des droits à Constantine de Panóias, comme moyen pour promouvoir le peuplement de la région. En 1272,le comte alfonso III obtient des droits sur le territoire, mais certains auteurs prétendent que la fondation était prévue à un endroit différent (probablement la place du village de Ponte dans la paroisse de Mouçós). Ce n'est qu'en 1289, avec l’accord du roi Dinis, que le comte Afonso a effectivement fondé la ville royale de Panóias, qui deviendra Vila Real.
L’emplacement choisi est situé au croisement des routes Porto-Bragança et Viseu-Chaves. La présence, à partir du XVIIe siècle, de la Maison des Marquises de Vila Real fait que de nombreux nobles de la cour viennent y vivre, comme en témoignent les innombrables pierres d’armes avec les titres de noblesses de leurs propriétaires que l’on voit encore aujourd’hui dans la ville.
Avec l’augmentation de la population, Vila Real a obtenu au XIXe siècle le statut de capitale de district, et au XXe siècle le capital de la province historique de Trás-os-Montes et Alto Douro. En 1922, le diocèse de Vila Real a été créé, coïncidant territorialement avec son district, par séparation des diocèses de Braga, Lamego et Bragança-Miranda. En 1925 Vila real s’est élevée au statut de ville.