Los primeros asentamientos precolombinos en el territorio vallecaucano se localizaron en el valle del río Cauca, en las laderas montañosas de las cordilleras Occidental y Central y en los alrededores de lo que es hoy Buenaventura. Entre las tribus indígenas más importantes se citan los gorrones, jamundíes y lilis, que eran antropófagos y cuya principal actividad era la guerra. La Conquista se caracterizó por la dominación y aniquilamiento de la población aborigen, al mando de Sebastián de Belalcázar, quien en 1536 se apropió de sus tierras y comenzó el proceso de colonización, con la fundación y desarrollo de localidades tales como Cali (1536), Jamundí (1536), Buenaventura (1539), Cartago (1540), Toro (1546) y Buga (1555).

Hasta el siglo XIX, el poblamiento territorial Vallecaucano se había concentrado en el valle del río Cauca. Fueron los antioqueños quienes a finales del siglo, iniciaron el poblamiento de las áreas de ladera cordilleranos. De esta colonización surgieron nuevos centros poblados, como Versalles (1887), Sevilla (1903), Caicedonia (1905), Darién (1913), Restrepo (1913) y Trujillo (1924). A partir de 1945, fenómenos sociales como la violencia y económicos, como la industrialización, propiciaron la concentración de la población en los centros urbanos de Cali, Palmira, Panga, Yumbo, Tuluá, Cartago y Sevilla, iniciándose así el período de urbanización moderna del departamento. Actualmente se encuentran unas áreas casi deshabitadas en la llanura selvática del Pacífico y partes elevadas de las cordilleras, en contraste con las tierras de vertiente y del valle del Cauca, que se encuentran densamente pobladas.

Durante la colonia el territorio perteneció a las gobernaciones de Quito, Panamá y Popayán. Después de la independencia se anexó al departamento del Cauca. En 1831 el Valle del Cauca quedó repartido entre las provincias de Buenaventura y Popayán, las que más adelante se anexaron a las de Cauca y Barbacoas. En 1857 se creó un el estado federal del Cauca, incluía el Chocó, Pasto y Caquetá. En la constitución de 1866 queda convertido en departamento y en 1908 se disgrega para crear el actual departamento con capital con Cali.