Считается, что посёлок Кильмезь был основан марийцами в начале XVII века. По легенде группа марийцев бежала на плотах по реке Кильмези от удмуртов. Была поздняя осень. Марийцы увидели холм Красная гора и взобрались на неё для удобной обороны. В итоге образовалось поселение Кильмезь. Существует две точки зрения на перевод слова «Кильмезь»: «Уйти и не вернуться» (из-за болотистой местности) и «Река встала».
Село известно с 1666 года. В конце XIX — начале XX веков население занималось земледелием, кустарным производством кирпича, переработкой сельскохозяйственного сырья и др. C 1965 года поселок городского типа.