Su origen data de 1695, al realizarse un reparto de solares por parte de la señora Leonor de Contreras, en terrenos de la hacienda El Jíbaro, aunque ya desde 1623 comenzó a poblarse este municipio, al ser entregado a Gaspar Rey Barroto para la crianza de ganado. Su nombre es atribuido por historiadores al vocablo indígena que significa: agua hay.
En 1810, fue creada la Capitanía del Partido; en 1845, se fundó la Tenencia del Gobierno y el 7 de julio de 1847, el Ayuntamiento. El primero de agosto de 1849 llegó allí el ferrocarril.
El territorio de Guanajay es atravesado, de este a oeste, por una cadena de colinas llamadas del Jobo, que continúa al este con la Mesa de Anafe y cuenta con el río Capellanías, el más conocido de la zona.
Este municipio también estuvo vinculado a la historia más reciente de Cuba, pues Fidel Castro y otros jóvenes, realizaron prácticas de tiro en una finca del lugar como parte de los preparativos para el asalto al Cuartel Moncada en Santiago de Cuba, el 26 de julio de 1953, inicio de la lucha revolucionara que culminó el primero de enero de 1959.