El gobernador español Domingo Ortiz de Rosas fundó la villa en 1750, con el nombre de Villa Jesús de Coelemu por orden de la Junta de Poblaciones del Reino de Chile. Fue establecida originalmente a orillas de los ríos Itata y Coelemu, pero las continuas inundaciones obligaron a mudar la población su sitio actual, sobre una prominencia del terreno.
El traslado fue realizado por el gobernador Agustín de Jáuregui, quien rebautizó la villa con la alambicada fórmula Dulce Nombre de María de Jauregui de Coelemu, el 7 de febrero de 1774.
El pueblo era una posta dentro del llamado "Camino de la Colonia" (hoy Ruta CH-126), que unía Concepción con Talca, vía Cauquenes.
Durante la Independencia el pueblo fue atacado por los realistas, correspondiéndole dirigir su defensa al entonces teniente Manuel Bulnes.
Coelemu envió representante propio a la Asamblea Constituyente de 1823, eligiendo diputado al mencionado Manuel Bulnes. Con la Constitución de 1823, el Partido de Coelemu, se transforma en la Delegación de Coelemu, que con la ley de 30 de agosto de 1826, integra la nueva Provincia de Concepción. Con la Constitución de 1833, la Delegación pasa a llamarse Departamento de Coelemu. La administración local del departamento recae en la Ilustre Municipalidad de Coelemu, hasta 1850. En ese año, Tomé se convierte en nueva cabecera departamental, constituyéndose así la Ilustre Municipalidad de Tomé.
Con la ley de Comuna Autónoma del 22 de diciembre de 1891, se promulga el Decreto de Creación de Municipalidades, de la misma fecha. Así, se crea la Municipalidad de Coelemu, que administra las Subdelegaciones 3a Vegas del Itata, 4a de Coelemu y 5a de Batuco, del departamento con los límites que le asigna el decreto de 3 de noviembre de 1885.
Con el DFL 8582 del 30 de diciembre de 1927, se crea el Departamento de Tomé, en el territorio del antiguo Departamento de Coelemu. El mismo decreto creó la Comuna y Subdelegación de Coelemu, cuyo territorio corresponde a las antiguas subdelegaciones 4.a Coelemu, 5.a Batuco, 6a Coleral, 7.a Ránquil y 8.a Guarilihue y los distritos 3.° Meipo, 4.° Montenegro y 5.° Chupallar, de la antigua subdelegación 3.a Vega de Itata.
La comuna fue uno de los territorios fuertemente afectados por el gran terremoto y tsunami del 27 de febrero del 2010, debido a su cercanía al epicentro del sismo. La franja costera de la comuna (Perales y Vegas del Itata) fue arrasada por el maremoto registrado esa jornada, tal como ocurrión buena parte de la costa de la zona centro-sur de Chile.
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