Kotlina, v níž později vznikla osada, byla navštívena člověkem pravděpodobně již v mladší době kamenné. Svědčí o tom nálezy kamenných nástrojů a střepů z nádob v katastru obce. Těžko určit, jak trvalý byl pobyt našich předků na tomto území. Jisté je, že osídlení v pravěku se soustřeďovalo do míst s nižší nadmořskou výškou. Katastr Dolních Vilémovic je jednou ze čtyř lokalit na okrese s nadmořskou výškou i přes 500 m, kde byly zaznamenány neolitické nálezy. Kromě kamenných mlatů a dalších nástrojů se v blízkém okolí obce (3-5 km) nacházejí také ojedinělé zlomky tzv. lineární keramiky z období staršího neolitu.
Osada, jejíž dobu vzniku neznáme, v minulosti odvozovala svůj název od zakladatele Viléma (Vilíma). Tato osoba se ovšem nikde v historických pramenech neobjevuje, takže původ jména obce můžeme zařadit do kategorie pověstí. Někteří badatelé se domnívali, že název pochází od vilémovského kláštera v Čechách, jemuž po určitou dobu náležela valečská farnost. Název obce se ale vyskytuje v pramenech ještě dříve, než byla farnost ke klášteru připojena. I tato možnost je tedy málo pravděpodobná.
První zmínka o obci je z roku 1294. Toho roku pan Oldřich z Hradce odkázal své statky, kdyby zemřel bez dědiců, králi Václavovi II. a patronáty všech far německému řádu křižovníků. Mezi statky jsou v latinsky psané listině jmenovány také Valč a Vilémovice na Moravě (in Znoymensi districtu Waltz et Wilimowitz). Jakým způsobem a proč byly statek a fara ve Valči v následujícím období připojeny k vilémovskému klášteru, není známo.
V 1. pol. 14. stol. držel Vilémovice pán na hradě Holoubek (Taubenstein) Konrád Payer. Roku 1353 odevzdal hrad s Vilémovicemi a ostatním zbožím (castrum Holoubek... cum villa Wylemowycz) svému bratru Bohuši ze Starce. Po Bohušově smrti roku 1376 spravovali panství jeho synové Bohuš a Mikuláš.
Roku 1390 byly prodány Vilémovice mincmistrovi Martinovi z Jemnice a Radoštic, jež se ovšem o výnos dělil s maršálkem Filipem ze Svojanova a Albertem ze Slatiny. V době husitských válek, po Martinově smrti, se ujal panství Arnošt z Rychmburka, po krátké době se začali majitelé rychle střídat - Bedřich z Říčan, Linhart z Radoštic ani Štubnar z Jeršpic dlouho osadu nedrželi. Nakonec Štubnarova sestřenice Anna, vdova po Martinovi, jež spolu se Štubnarem spravovala Vilémovice po skončení husitských válek, prodala celou osadu r. 1437 Vojtěchovi z Moštěnice.
Nedlouho poté, r. 1446, byl po meziříčském rozhodnutí mocných feudálů rozbořen hrad Holoubek, sídlo různých dobrodruhů. Pobořený hrad byl odevzdán právoplatnému dědici Jindřichovi z Říčan, jež hrad již následujícího roku prodal Hanuškovi z Rajce a Mírová. Ten současně koupil Valč od pánů z Vlašimi, čímž se Vilémovice a Valč ocitly znovu ve vlastnictví jednoho pána. Valč již r. 1450 přešla do vlastnictví Stoška, zemana z Arbelovic. O Vilémovice se se Stoškem soudilo několik náročitelů. Jak spor skončil, známo není.
Zpráva o dalším majiteli je z roku 1481. Tehdy byl pánem osady Jan Boček, příslušník jedné z početných větví mocného rodu z Kunštátu, z něhož vyšel i český král Jiří z Poděbrad. Ani páni z Kunštátu Vilémovice dlouho nedrželi. Roku 1522 je získali od Ludvíka Zajímače z Kunštátu Pernštejnové, další z mocných rodů, který vlastnil rozsáhlá panství na Moravě i v Čechách. Jan z Pernštejna, zvaný Bohatý, zastávající významné funkce nejvyššího moravského komorníka či zemského hejtmana, zařadil osadu mezi obrovský majetek, nahromaděný především jeho otcem Vilémem. Po devíti letech prodal Vilémovice spolu s Valčí, Plešicemi a pustým Chroustovem Smilovi z Doubravice. Začalo další období rychlého střídání majitelů - z těch známějších jmen můžeme uvést např. pány z Čechovic a Vanecké. Vanečtí drželi osadu pravděpodobně až do roku 1631, kdy byly Vilémovice se dvorem, ovčírnou a dvěma rybníky intabulovány zemským právem Bedřichovi z Vlašimi, jehož rod držel osadu i po třicetileté válce.
Konec střídání majitelů nastal v r. 1678. Tehdy Jana Alžběta, rozená ze Šarfenberka, prodala za svého nesvéprávného manžela, Maxmiliána Arnošta, svobodného pána z Vlašimi, celou osadu za 7000 zlatých Františku Augustinovi, hraběti z Valdštejna, zakladateli kapucínského kláštera v Třebíči. Tento nařídil ve své poslední vůli, aby klášter byl napříště vydržován z výnosu vilémovského statku.
Doba panování Valdštejnů, kteří se po zdědění vartemberských panství r. 1758 psali většinou jako Waldstein-Wartenbergové, byla asi nejvýraznějším obdobím ve starších dějinách obce. Bylo ukončeno střídání majitelů, rod držel Vilémovice plných 267 let. Zpočátku byli pány nad celou osadou, po zrušení nevolnictví a poddanství jim zbyl vilémovický statek s rozsáhlými polnostmi. Ten pravidelně přispíval na třebíčský klášter, v souladu s vůlí jeho fundátora. Statek byl součástí velkého majetku rodu na Třebíčsku. Po rodových sporech na počátku 18. století se poměry v čele panství uklidnily. Od roku 1678 do počátku našeho století se v čele třebíčského panství vystřídalo 20 členů rodu. (viz příloha č.3)
Co se týká názvu obce, v úředních listinách se setkáváme s několika podobami - od německého názvu Unter Willimowitz (1751), přes Dolnij Wilimowice (1846) až po dnešní podobu Dolní Vilémovice (1872). Od roku 1881 se obec úředně nazývala Dolní Vilímovice, k dnešnímu názvu se obec vrátila až roku 1924.
