וליקו טרנובו היא מהעתיקות בערי בולגריה. בעיר ובפרבריה נמצאו שרידים מתקופת האבן הקדומה, תקופת האבן החדשה, תקופת הברונזה ותקופת הברזל. העיר הייתה מיושבת על ידי התראקים והרומאים. הקיסר יוסטיניאנוס השני בנה מבצר ביזנטיני על גבעת הצארים.

ב-1018 נכבשה בולגריה על ידי ביזנטיון. ב-1186 קמו שני אחים -אסן ופטר והכריזו בווליקו טרנובו על מרד כנגד השלטון הביזנטי. המרד הצליח ובעקבותיו נוסדה האימפריה הבולגרית השנייה כשוליקו טרנובו (אז נקראה טרנובו) כבירתה. במשך מאתיים שנים הייתה טרנובו העיר החשובה ביותר באימפריה, מרכז תרבותי, כלכלי, פוליטי ודתי. במצודת צַארֶבֶץ הנמצאת על גבעה בעלת אותו שם במרכז העיר נמצא ארמון הצאר וכנסיית הפטריארך.

ב-17 ביולי 1393 לאחר מצור שנמשך 3 חודשים, נפלה טרנובו בידי העות'מאנים ונותרה בחזקתם במשך כ-480 שנים. בימי הביניים העיר נקראה טרנובגראד. ב-1598 וב-1686 פרצו בטרנובגראד מרידות אך הן דוכאו באכזריות על ידי העות'מאנים.

ב-7 ביולי 1877, במסגרת המלחמה העות'מאנית-רוסית, נכבשה העיר על ידי צבא האימפריה הרוסית. במסגרת קונגרס ברלין הוכרה עצמאות בולגריה ובירתה טרנובו. ב-17 באפריל 1879 התכנסה המועצה הלאומית הראשונה בטרנובו ואשרה את החוקה הראשונה של בולגריה שכונתה חוקת טרנובו. אחת ההחלטות הייתה להעביר את עיר הבירה לסופיה.

ב-1965 שונה שם העיר מטרנובו לווליקו טרנובו (טרנובו הגדולה) מתוך הוקרה להיסטוריה ולחשיבותה של עיר הזאת.