As origens históricas do município prendem-se aos garimpos antigos de Diamantino, acompanhando as suas vicissitudes nos ciclos de produção e abandono.
No começo do século o lugar era explorado pelos seringueiros. A denominação Santo Afonso tem origem na referência que se faz a um cidadão chamado Afonso, que segundo fonte oral era funcionário da Companhia de Telégrafos. Por muitos anos o local ficou conhecido por Afonso, mais tarde adicionou-se o termo "Santo", ficando Santo Afonso.
Por volta de 1912 a localidade recebeu uma estação telegráfica, intermediária entre Parecis e Barra do Rio Bugres, instalada pela Comissão Rondon. Em 1940 José Gratidiano Dorileo possuía um barracão de zinco, destinado a depósito de látex. O lugar servia como ponto de referência para orientação regional da Serra de Tapirapuã. Por Santo Afonso passou a Coluna Prestes em 1927, a caminho da Bolívia.
O desenvolvimento teve maior impulso a partir de 1959. Questões fundiárias irromperam na região, tendo a Prelazia de Diamantino entrado com ação judicial em favor dos posseiros legais. Novo impulso migratório, em 1975, deu configuração a Santo Afonso.
O município de Santo Afonso foi criado através da Lei nº 5.909, de 20 de dezembro de 1991.