Benché la sua fondazione sia attribuita a Diomede, personaggio della mitologia greca figlio di Tideo e di Deipile, ha nell'antico nome di Venafrum origini sannitiche. Nella piana, in diversi punti sono stati rinvenuti numerosi reperti che fanno pensare all'esistenza di insediamenti umani già in epoca preistorica. Durante la Guerra sociale, il frentano Mario Egnazio la espugnò a tradimento e fece strage di sei coorti romane. Anche Silla la rase al suolo. Nel gennaio del 49 a.C. Pompeo Magno venendo da Teano, vi fece sosta. Ma le prime notizie certe dell'esistenza di Venafro risalgono al 300 d.C. quando si trovava sotto la giurisdizione dei romani con Massimiliano, rivestendo subito un ruolo importante e strategico tanto da essere Colonia romana con Augusto (Colonia Augusta Julia Venafrum), e recepì la caratteristica sistemazione urbanistica, parzialmente conservata nell'abitato attuale. In epoca augustea molta attenzione fu data all'acquedotto (Rivus Venafranus) che portava l'acqua del fiume Volturno da Rocchetta a Volturno a Venafro. Rinomata per fertilità e amenità, è ricordata da Orazio come luogo di villeggiatura, e Plinio il Vecchio parla di una sorgente diuretica lì situata. In epoca romana vanta di una sviluppata economia con il rinomato olio che secondo la leggenda fu portato da Licinio il quale ne parla in molte sue opere. Sempre della fecondità del suolo e della fama dell'olio venafrano ci dà testimonianza Marziale.
Fra il 774 ed il 787 la piana di Venafro fu attraversata dalle truppe di Carlo Magno che si scontrarono con quelle dei Longobardi del Principato di Benevento.
Nel 1495 dette ospitalità alle truppe di Carlo VIII di Francia di passaggio alla conquista del Regno di Napoli (Ferdinando II di Aragona).
Dopo il periodo buio del Medioevo che ha visto Venafro sprofondare in miseria e malattie, nei secoli successivi la città visse un'epoca di espansione e di benessere, basti pensare alle numerose costruzioni risalenti a questa epoca che hanno cambiato il volto della città con monumentali chiese e palazzi.
Venafro è sede vescovile dal V secolo. Ultimi feudatari furono i Savelli, i Peretti, i Caracciolo di Miranda.
Nel 1811 venne istituito il distretto di Piedimonte d'Alife, nel quale andava a ricadere tutta l'area nord-orientale del distretto di Capua ed i circondari di Venafro e Colli distaccati dal distretto di Sora. Con l'occupazione garibaldina e l'annessione al Regno di Sardegna del 1860 il distretto fu soppresso.
Il 24 ed il 25 ottobre 1860 Venafro ospitò il re Vittorio Emanuele II di Savoia in viaggio per recarsi a Teano ad incontrare Giuseppe Garibaldi. Il Sovrano proveniva da Isernia dove era giunto il 23 ottobre ed aveva preso alloggio nel Palazzo Cimorelli di Isernia, sito nella via che poi prese il Suo nome, ospite di Vincenzo Cimorelli. Il giorno successivo era ripartito giungendo a Venafro dove prese alloggio nel Palazzo Cotugno e successivamente nel Palazzo Cimorelli, ospite di Nicola Cimorelli e di sua moglie Giulia dei Marchesi Parisi di Rignano. Sul palazzo Cimorelli in Venafro c'è una lapide:
«Re Vittorio Emanuele venuto con poche armi e voti di popolo infiniti a consacrare l'Italianità di queste provincie fu in questa casa ospite di Nicola Cimorelli nei dì 24 e 25 ottobre 1860. Il Municipio di Venafro in memoria del fausto avvenimento e del cittadino benemerito pose questo ricordo il 4 marzo 1898 cinquantesimo anniversario delle libertà costituzionali»
Vittorio Emanuele II partì da Venafro il 25 e passò la notte a Presenzano, nel castello dei Del Balzo, su in cima al colle. La mattina del 26 partì per Teano con una colonna delle truppe di Cialdini; e fra Caianello e Teano s'incontrò con Garibaldi.
Fino al 1863 Venafro era compreso nel territorio della Terra di Lavoro della provincia di Caserta ricadendo dapprima nel Distretto di Sora e poi dal 1811 con la nascita del Distretto di Piedimonte d'Alife fu annesso a quest'ultimo. Era capoluogo di circondario prima e di mandamento dopo.
Il 10 maggio 1863 ci fu l'annessione alla provincia di Campobasso, nonostante le polemiche e le proteste della cittadinanza e del consiglio comunale dell'epoca, favorevole invece a rimanere a far parte della provincia di Caserta. Entrò definitivamente a far parte della regione Molise.
Durante la guerra contro il brigantaggio, il Generale Ferdinando Augusto Pinelli fece cancellare Venafro dalla carta topografica.
Nell'ottobre del 1911 il Padre Provinciale, Benedetto da San Marco in Lamis accompagnò Padre Pio da Pietrelcina a Napoli dal celebre dottore Antonio Cardarelli, il quale suggerì di condurlo a Venafro. Durante il mese e mezzo passato in questo convento, la fraternità si accorse dei primi fenomeni soprannaturali: estasi divine della durata anche di un'ora e apparizioni diaboliche, di breve durata.
Il 13 aprile 1914 con Regio Decreto (registrato presso la Corte dei Conti il 28 agosto 1914 al Reg. 50, foglio 12) il comune acquisisce negli atti e nel sigillo il titolo di Città di Venafro.
Tra l'autunno del 1943 e la primavera del 1944 fu teatro, come altri paesi dei dintorni (Pozzilli, Filignano, San Pietro Infine ed altri), di aspri combattimenti fra i Tedeschi, asserragliati sulle montagne a nord e gli Anglo-Franco-Statunitensi, lungo la linea Gustav, per la conquista di Cassino e Montecassino. Scambiata per quest'ultima dai piloti anglo-americani, Venafro venne colpita duramente dai bombardamenti alleati il 15 marzo 1944 che causarono circa 400 vittime tra civili e militari.
Tra il centro abitato di Venafro ed il convento dei Cappuccini, è presente il cimitero militare francese dei caduti della seconda guerra mondiale appartenenti al Corps Expeditionnaire Français (CEF) guidato da Alphonse Juin, che nella cittadina pose il suo quartier generale.
Nel 1970 fu inclusa nella neonata provincia di Isernia, di cui fa attualmente parte e sulla cui appartenenza del comune, nei periodi precedenti la sua istituzione, si accese una discussione campanilistica.
Nella primavera del 1984 fu molto danneggiata dal terremoto originatosi nella non lontana Valle di Comino, in provincia di Frosinone.
Nel 1986 le due sedi episcopali della diocesi Isernia e Venafro furono unite aeque principaliter costituendo l'attuale diocesi di Isernia-Venafro. L'antica cattedrale di Santa Maria Assunta assunse il titolo di concattedrale.
Nel 1987 la città fa parte, su segnalazione del Censis, dei 100 comuni della "piccola grande Italia".
Dal 1994, insieme ad altri 338 soci, fa parte dell'A.N.C.O., (Associazione Nazionale Città dell'Olio).
Il 25 aprile 2005 Venafro ha ottenuto la medaglia d'oro al valor civile dal Presidente della Repubblica Carlo Azeglio Ciampi per il tragico bombardamento aereo subito il 15 marzo 1944.