Si ritiene che il primo nucleo abitativo di Brunello fosse situato nella frazione dei Collodri, al confine con Castronno. La località di Brunello viene menzionata come Brunadello negli statuti delle strade e delle acque del Contado di Milano, appartenente alla Pieve di Varese. In uno statuto del 1289, Brunello è già descritto come un paese molto antico.
Una mappa del 1581, presente nella sala dedicata dei Musei Vaticani, riporta il toponimo Bruno. Da qui nasce l'ipotesi che il nome Brunello derivi dall'aggettivo "bruno", ossia scuro, in riferimento alla fitta boscaglia che un tempo ricopriva la collina dove oggi si trova il centro abitato.
Nel 1538, Brunello era parte dei possedimenti della Famiglia Bossi, quando il Senatore Egidio Bossi acquisì la proprietà del piccolo borgo. Nel 1717, Fabrizio Benigno Bossi, Marchese e feudatario della Val Bodia, reclamò il diritto sul territorio di Brunello e impose il cambiamento del nome Val Bodia in Val Bossa, per ricordare l'importanza storica della Famiglia Bossi nella regione. Ancora oggi, nel centro abitato, sopravvivono opere ed edifici risalenti a quell'epoca. Nel 1751, secondo il censimento, il territorio di Brunello era infeudato al marchese Galeazzo Bossi.
Nel compartimento territoriale del 1757, Brunello era incluso nella Pieve di Varese. Nel 1786, con il compartimento territoriale della Lombardia austriaca che suddivise il territorio in otto province, il comune entrò a far parte della Provincia di Gallarate. Successivamente, nel 1788, Varese divenne il capoluogo della provincia.
A seguito della legge del 26 marzo 1798 sull'organizzazione del dipartimento del Verbano, il comune di Brunello venne inserito nel distretto di Varese. Con la soppressione del dipartimento del Verbano, Brunello entrò a far parte del distretto XVIII di Varese del dipartimento dell’Olona. Nel compartimento territoriale del 1801, il comune fu collocato nel distretto II di Varese del dipartimento del Lario. Nel 1805, un nuovo compartimento territoriale inserì Brunello nel cantone I di Varese del distretto II del dipartimento del Lario. Il comune, di III classe, contava 274 abitanti.
A seguito dell’aggregazione dei comuni del dipartimento del Lario, Brunello, con 258 abitanti, venne aggregato al comune di Azzate.
Dal 1816 fino al 1927, il comune fu parte della Provincia di Como, in base alla compartimentazione territoriale del Regno Lombardo-Veneto, e fu inserito nel Distretto di Varese.
Nel 1853 si contavano 387 abitanti.
Alla costituzione del Regno d’Italia nel 1861, il comune di Brunello contava una popolazione residente di 386 abitanti. In base alla legge sull’ordinamento comunale del 1865, il comune era amministrato da un sindaco, una giunta e un consiglio.
Nel 1924, il comune risultava incluso nel circondario di Varese della provincia di Como. A seguito della riforma dell’ordinamento comunale del 1926, il comune venne amministrato da un podestà. Nel 1927, Brunello venne aggregato alla neonata Provincia di Varese e, nello stesso anno, perse lo status di comune autonomo, venendo accorpato al Comune di Azzate come frazione. Solo trent'anni dopo, nel 1956, Brunello riacquistò la sua autonomia comunale.