Поселение у основания 376-метрового мыса в море существовало ещё в глубокой древности, о чём свидетельствуют фрагменты циклопической стены VI века до н. э. и мегалитическое святилище, так называемый храм Дианы IX—VIII века до н. э.

В IV веке до н. э. древние греки основали здесь колонию Кефалойдион (греч. Κεφαλοίδιον). Название было образовано от древнегреческого слова «кефа» (kεφα), что означает «голова», или от финикийского слова «кефас» (kephas), что означает «скала». Город находился в зависимости от другой древнегреческой колонии, Гимеры. Впервые упомянут в 395 году до н. э. как союзник карфагенского военачальника Гимилькона. В 307 году до н. э. был завоёван древнегреческой колонией Сиракузы. В 254 году до н. э. захвачен древними римлянами и переименован ими в Кефалодиум (лат. Cephaloedium).

Во время Византийской империи город был перенесён с равнины на скалу. От этого времени сохранились крепостные стены с зубцами, церкви, казармы, ёмкости для воды и печи. Старый город не был полностью заброшен. Сохранилось здание с мозаичным полом VI века, в котором проходило христианское богослужение. В 858 году, после долгой осады, Кефалодиум был завоёван арабами-мусульманами, которые переименовали его в Гафлиду. Город был включён в состав Палермского эмирата.

В 1063 году он был завоеван норманнами во главе с Рожером I, а в 1131 году Рожер II заложил трёхнефный собор, выделяющийся среди окружающей застройки своими четырёхъярусными романскими башнями. После поновлений XVI и XVII веков в интерьере собора уцелело лишь несколько византийских мозаик XII века, из которых первое место во всей Сицилии принадлежит грациозному изображению Христа Пантократора в центральной апсиде. Тогда же город получил название Чефалу. Здесь были построены церковь Святого Георгия и монастырь палаццо Мария (дворец Марии), преобразованный в ратушу в XIV веке. В XV веке коммуна стала владением епископов Чефалу.

Во время Рисорджименто, 14 марта 1857 года, в Чефалу был расстрелян местный уроженец и патриот, Сальваторе Спинуцца. После высадки Джузеппе Гарибальди на Сицилии в январе 1861 года, коммуна заявила о своём желании находиться в составе единого королевства Италия. С 1861 по 1927 год Чефалу был центром одноимённого округа[it] в провинции Палермо. Сегодня коммуна является приморским курортом, популярным у туристов своими пляжами и памятниками архитектуры.