Селище Чорнобай виникло на початку XVIIІ століття, як слобода заселена козаками Кропивнянської сотні Переяславського полку. В перших документах Чорнобай згадується 1721 року.
Під час перепису маєтностей Переяславського полку в 1729—1731 роках згадується: «На полі Канівському», як слобода, заселена переважно мешканцями містечка Великі Канівці, переселенцями з Кропивни, Чехівки, Мельників з Ніжинського полку. Крім того, не мало людей тут було осаджено ченцями Києво-Печерського монастиря. Відомості по належність Києво-Печерській лаврі Чорнобаївської Слобідки відносяться до 1720 року. Тоді Чорнобай належав до Чехівської волості, що йшла на гетьманську булаву, тобто, відбувала повинності на двір гетьмана.
У XIX ст. Чорнобаї були у складі Золотоніського повіту Полтавської губернії. З середини XIX століття Чорнобай стає волосним центром. Поступово починає розвиватись місцева промисловість. У 1845 році вступив в дію пивоварний завод.
В грудні 1919 року територія Золотоніського повіту, до якого входив Чорнобай, була окупована військами Червоної армії. Встановилася радянська влада.
У квітні 1923 року Чорнобай став центром однойменного району.
19 вересня 1941 року село було окуповане німецькими військами. За роки війни до Німеччини було вивезено 1527 юнаків та дівчат. 27 вересня 1943 року село було визволене. За мужність і відвагу 417 жителів села нагороджені орденами і медалями СРСР. Житель села Шмиг Іван Миколайович нагороджений званням Героя Радянського Союзу та медаллю Золотої Зірки.
23 квітня 1965 року село Чорнобай віднесено до категорії селищ міського типу.
