Pelayos del Arroyo pertenecía al dominio territorial de la catedral de Segovia por donación de su concejo al obispo Pedro de Agen, recogida en documento hacia 1120. Esta es la primera referencia escrita que se conserva sobre el el origen de este municipio, según la enciclopedia de Románico Digital, editada por esta asociación.
De acuerdo a la documentación recogida en dicha publicación, en la citada cesión se concede la heredad de Sotosalbos con sus términos, dote confirmada por Alfonso I el Batallador en 1122 y la reina Urraca el año siguiente, y, luego, en 1136, 1139 y 1149 por Alfonso VII. Ese dominio suponía la propiedad de los bienes y vasallos, así como la potestad para repoblar el territorio. Sin embargo, el nombre de Pelayos no aparece de forma expresa en tales documentos, como sí lo hace Sotosalbos, por lo que se entiende que o bien la puebla de Pelayos aún no se había materializado, desligada del otro término.
Sí aparecen ya como pueblo distinto en el documento de concordia entre el cabildo segoviano y el concejo de Pelayos de enero de 1220. "Tras multas controversias habitats inter nos" -reza el documento- se establecían las cantidades que debían pagar los vecinos por San Miguel al cabildo, proporcionales al valor de su patrimonio y oscilando entre el 1,6 y el 6%.
En junio de 1221 se date el convenio sobre derechos de riego con las aguas del Pirón entre el convento de Sotosalbos (Santa María de la Sierra, hoy en el término de Collado Hermoso) y los concejos limítrofes.
Unos años más tarde en sendos documentos de 1271 Pelayos rubrica un acuerdo con el cabildo para definir la cantidad a pagar por cualquier vecino que desease ser enterrado en otra iglesia que no fuese la de San Vicente (20 maravedíes).
Así, Pelayos del Arroyo fue villa del Cabildo Catedral de Segovia desde el siglo XII hasta el siglo XIV (1536) en que fue vendida a Pedro Zúñiga, Marqués de Aguilafuente y en 1811, la propiedad pasó a los vecinos, según citaba el cura párroco Pablo Sainz Casado en una de sus publicaciones parroquiales.
Asimismo, según recoge Madoz en su Diccionario, a mediados del siglo XIX la localidad de Pelayos (aún sin el "del Arroyo" en su denominación) compartía municipalidad con Tenzuela, cuya iglesia era aneja a la del núcleo.
Poco más se sabe del devenir de este núcleo a lo largo de la historia, aunque sí que fue de importancia en la zona, como atestigua la iglesia parroquial de finales del siglo XII o principios del XIII, dedicada a San Vicente Mártir, de tamaño moderado, con espadaña, recogia y coqueta que ofrece al viajero una grata sorpresa por su belleza.
