Promoucaes au fost primii oameni care au populat Pichilemu. Erau vânători-culegători și pescari.
În 1887, președintele José Manuel Balmaceda a decretat Pichilemu ca fiind un port minor.
José Toribio Medina a făcut primele cercetări arheologice în Pichilemu și a publicat în 1908 Los Restos Indígenas de Pichilemu. El a afirmat acolo că Pedro de Valdivia i-a dat pământuri în ceea ce este astăzi centrul Chile lui Juan Gómez de Almagro la 24 februarie 1544. Pichilemu se afla între zonele Palloquierbico, Topocalma și Gulaquien.
Numele Pichilemu provine din cuvintele mapudungún pichi (mic) și lemu (pădure).
Unii dintre primii proprietari de terenuri din Pichilemu au fost familia Ortúzar. Daniel Ortúzar este cunoscut ca fiind unul dintre fondatorii satului original Pichilemu. Familia Ortúzar Cuevas, din Hacienda San Antonio de Petrel, a construit la mijlocul secolului trecut un doc maritim care a servit drept port de pescuit timp de câțiva ani. Au construit, de asemenea, case de-a lungul docului, pe ceea ce este acum Bulevardul Ortúzar. Mai recent, alți mari proprietari de terenuri sunt Pedro Pavez Polanco și Hacienda de San Antonio de Petrel. În 1891, în timpul Războiului Civil din Chile, Daniel Ortúzar și preotul din Alcones au fost luați prizonieri din Pichilemu prin acest doc. În timpul războiului, docul a fost incendiat. După războiul civil, Pichilemu și-a primit numele și statutul oficial. Președintele Jorge Montt și ministrul său, Manuel José Irarrázabal, orașul a fost înființat oficial la 22 decembrie 1891.
Pichilemu a devenit capitala istorică a provinciei Cardenal Caro, care poartă numele primului cardinal al Bisericii Catolice din Chile. Tatăl său a fost primul primar al orașului.
Agustín Ross Edwards a fost un scriitor, deputat, ministru și om politic chilian. Ross era foarte bogat și, bazându-se pe trecutul său european, a cumpărat un teren de 300 de hectare și l-a numit "La Posada" (în engleză: The Inn), sau Fondul Petren, în 1885. Ross a proiectat un loc urban de mare valoare ambientală și peisagistică, transformând "La Posada" într-un hotel (Marele Hotel Pichilemu, mai târziu Hotel Ross, sau Ross Hotel) și construind un cazinou, diguri, ziduri de piatră, un balcon cu vedere spre plajă. În plus, a construit un parc și o pădure de peste 10 hectare. Agustín Ross a transformat Pichilemu într-un oraș-stațiune de vară pentru locuitorii din Santiago. Unele dintre clădirile sale au fost numite monumente naționale.