Thời Hùng Vương dựng nước, Đồng Lương nằm trong khu vực trung tâm của nước Văn Lang xưa. Việc phát hiện ra thạp đồng Vạn Thắng là chứng tích về tồn tại và phát triển của người Việt thời Hùng Vương trên địa bàn. Thời Bắc thuộc, Đồng Lương thuộc quận Giao Chỉ. Từ khi Ngô Quyền đánh tan quân Nam Hán trên sông Bạch Đằng, nước nhà giành được quyền tự chủ, Đồng Lương nằm trong các châu, lộ, trấn, phủ của các triều đại phong kiến Đinh, Tiền Lê, Lý, Trần, Hậu Lê.

Đến cuối triều Hậu Lê, đầu triều Nguyễn, Đồng Lương thuộc huyện Hoa Khê (từ năm 1841 là huyện Cẩm Khê), phủ Lâm Thao, trấn Sơn Tây (thời Nguyễn đổi "trấn" thành "tỉnh", phủ Lâm Thao thuộc tỉnh Sơn Tây).

Năm 1891, tỉnh Hưng Hóa được thành lập, Đồng Lương thuộc huyện Phù Ninh, tỉnh Hưng Hóa. Năm 1892, khi Toàn quyền Đông Dương quyết định tách huyện Cẩm Khê khỏi tiểu quân khu Yên Bái, nhập vào tỉnh Hưng Hóa, Đồng Lương thuộc huyện Cẩm Khê, tỉnh Hưng Hóa.

Năm 1903, tỉnh Hưng Hóa đổi tên thành tỉnh Phú Thọ, Đồng Lương thuộc tổng Điêu Lương, huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ. Tháng 5/1947, liên xã Vạn Thắng ra đời (gồm các làng Đồng Lương, Phong Vực, Điêu Lương, Yên Dưỡng và Vạn Phúc Nghĩa). Đến đầu năm 1948, Đồng Lương và Phong Vực tách ra, lập thành xã riêng lấy tên là Vạn Thắng.

Tháng 8/1964, Hội đồng Chính phủ nước Việt Nam Dân chủ cộng hòa quyết định đổi tên xã Vạn Thắng thành xã Đồng Lương, thuộc huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ.

Ngày 26/01/1968, Ủy ban Thường vụ Quốc hội khóa III ra Nghị quyết về việc sáp nhập tỉnh Phú Thọ và tỉnh Vĩnh Phúc thành tỉnh Vĩnh Phú, Đồng Lương thuộc huyện Cẩm Khê, tỉnh Vĩnh Phú.

Ngày 05/7/1977, Hội đồng Chính phủ có quyết định số 178/QĐ-CP về việc sáp nhập huyện Yên Lập, huyện Cẩm Khê và 10 xã hữu ngạn sông Thao của huyện Hạ Hòa thành một huyện, lấy tên là huyện Sông Thao, Đồng Lương thuộc huyện Sông Thao, tỉnh Vĩnh Phú.

Ngày 22/12/1980, Hội đồng Chính phủ có Quyết định số 377/QĐ-CP chia huyện Sông Thao thành 2 huyện là Yên Lập và Sông Thao. Huyện Sông Thao lúc này gồm các xã của huyện Cẩm Khê (cũ) và 10 xã hữu ngạn sông Thao của huyện Hạ Hòa (cũ). Đồng Lương khi đó thuộc huyện Sông Thao, tỉnh Vĩnh Phú.

Ngày 26/11/1996, Kỳ họp thứ chín - Quốc hội khóa IX đã thông qua Nghị quyết chia và điều chỉnh địa giới hành chính một số tỉnh, trong đó có việc tái lập tỉnh Vĩnh Phúc và tỉnh Phú Thọ. Đồng Lương thuộc huyện Sông Thao, tỉnh Phú Thọ.

Ngày 08/02/2002, Chính phủ có Nghị định số 39/NĐ-CP đổi tên huyện Sông Thao thành huyện Cẩm Khê, Đồng Lương thuộc huyện Cẩm Khê, tỉnh Phú Thọ cho đến nay.

Trải qua quá trình phát triển hàng nghìn năm, các thế hệ nhân dân Đồng Lương không ngừng phấn đấu xây dựng cuộc sống ngày càng tốt đẹp hơn, đồng thời hình thành nên những phẩm chất đáng quý như sống nhân ái, nghĩa tình, cần cù, sáng tạo, có ý chí cao, không ngừng vươn lên trong cuộc sống và tạo lập nên những giá trị truyền thống: Hiếu học, chuộng văn hóa văn nghệ, yêu quê hương đất nước, kiên cường bất khuất trong đấu tranh chống thiên tai, chống áp bức bóc lột và chống giặc ngoại xâm. Sự phát triển của Đồng Lương đã góp phần quan trọng vào sự phát triển chung của huyện Cẩm Khê.

Từ một xã thuần nông, có nền kinh tế lạc hậu, đời sống nhân dân gặp nhiều khó khăn, giai đoạn 2015 - 2020 tỷ lệ hộ nghèo của xã còn 6,84%; hộ cận nghèo còn 5,19%. Tổng sản lượng lương thực quy hạt trung bình đạt 1.636,5 tấn, bình quân lương thực 325,9kg/người. Cơ cấu kinh tế: Nông, lâm nghiệp, thủy sản là 48%; tiểu thủ công nghiệp - xây dựng là 32%; thương mại, dịch vụ là 20%. 26,2% nhà ở dân cư kiên cố; 72,76% bán kiên cố. 100% hộ được dùng điện lưới. 95,3% hộ được dùng nước sạch, hợp vệ sinh. 90 - 100% khu dân cư đạt khu văn hóa. Trung bình trong 5 năm có 91,5% hộ gia đình văn hóa.