Впервые слово «Удомля», как название местности, примыкающее к озерам Удомля и Песьво, упомянута в летописях в 1478 году. (Москва вела перепись присоединенных новгородских земель). В описях указано, что существовала территория «волость Удомля» и была церковь Святого Николая Чудотворца около села Стан. Волость Удомля была наиболее крупной в составе Бежецкой Пятины республики Великий Новгород и охватывала междуречье Мсты и Мологи от их верховьев до реки Уверь и больших озер около нее. После разделения России в 1708 году на губернии Удомельская волость вошла в состав Ингерманландской, с 1710 года – Санкт-Петербургской губернии. С 1727 года Удомля в составе Новогородской губернии. В 1775 г. Удомельские земли вошли в Вышневолоцкий уезд Тверского наместничества, с 1796 года – Тверской губернии.

В 1869 году в полукилометре от старинного села Паношино, около нынешнего железнодорожного переезда, возник полустанок Троица. Это событие является датой основания Удомли.
В 1904 году на Виндаво - Рыбинской железной дороге появилась станция Удомля.
В 1915-1918 гг. волость называлась Удомельско – Рядской, а в июне 1919 года она названа Удомельской.
Постановлением ВЦИК от 12 июля 1929 года был образован Удомельский район в составе Тверского округа Московской области. В него вошли около тысячи сел, деревень и хуторов с населением 59 730 человек.
Районным центром утвердили Удомлю.
1960 год - к Удомельскому району присоединили большую часть соседнего Брусовского района.
1961 год - поселок Удомля получил статус поселка городского типа.
В 1974 году началось строительство Калининской атомной станции.
11 сентября 1981 года рабочий поселок Удомля был преобразован в город районного подчинения с сохранением прежнего названия.
16 июня 1986 года Президиум Верховного Совета  РСФСР постановил отнести Удомлю к категории городов областного подчинения.
В рамках муниципального устройства, в границах упразднённого муниципального района 19 декабря 2015 года образовано новое муниципальное образование Удо́мельский городской округ.
Современная Удомля – это небольшой городок в Тверской области, город-спутник Калининской атомной электростанции.