Chomelix vient du latin chalmelis qui signifie chemin des eaux, caractéristique et typique de la commune, traversée par plusieurs petits ruisseaux et par deux rivières : l'Arzon et la Chamalière, et où les sources sont nombreuses. Quelques vestiges de l'époque mégalithique - menhir du Monteil - et de l'époque romaine - milliaires des voies Bolène et du chemin de César, poteries, bijoux, monnaies... - attestent d'une vie sur la commune depuis la plus haute Antiquité. Le Moyen Age fut particulièrement riche. Quatre importants châteaux furent construits aux XI^e et XII^e siècles : Chomelix-le-Haut, aujourd'hui totalement détruit, Chomelix-le-Bas, dont il reste les vestiges d'une tour, Sereys, plusieurs fois détruit et remanié et Arzon, dont les imposantes ruines dominent le ruisseau l'Arzon. Chomelix a longtemps été un point de passage des pèlerins de Saint-Jacques-de-Compostelle en direction du Puy-en-Velay, venant de l'est. Deux coquilles Saint-Jacques qui ornent les murs de l'église ainsi que les registres de l'hôpital en attestent.

Chomelix conserve sur son territoire les restes d'une voie romaine et d'un village gallo-romain à Sassac et des éléments plus récents : la maison du Portier ou la maison de la Béate aux Boudoux ainsi qu'un four banal.