A ocupação do território começou no ciclo do gado, que iniciou nesta região após a expulsão dos holandeses (1654), a partir da Casa da Torre. Os Garcia D´Ávila concederam grandes extensões de terra a seus familiares pelos vales do São Francisco e Pajeú, estabelecendo as primeiras fazendas. Estas ocupações enfrentaram a resistência dos índios que viviam no Vale do Pajeú, do Piancó e do Piranha entre 1694 e 1702, na chamada “guerra dos bárbaros”. Esta resistência fez com que muitos abandonassem suas fazendas. A mando da Casa da Torre, o fazendeiro do São Francisco, o coronel Manoel Araújo de Carvalho, combateu os índios e retomou as terras. Os fazendeiros e vaqueiros tornaram a ocupá-las.
A partir da Lei Imperial do Registro de Terras de 1850 iniciou-se a legalização das propriedades. O governo imperial extinguiu os aldeamentos indígenas em Pernambuco entre 1860 e 1880 e os povos indígenas que habitavam a região se deslocaram para locais de difícil acesso, como as serras de Umã e Arapuá.
Pela Lei Municipal nº 02, em 11 de Abril de 1896 o prefeito de Floresta, o coronel Casé, criou o distrito da Penha, a partir de uma povoação existente na região. Chamava-se Penha em homenagem à padroeira, Nossa Senhora da Penha. O povoado vivia principalmente da pecuária bovina e caprina e da agricultura de subsistência (feijão, algodão, milho, arroz, mandioca e batata-doce).
Segundo a lei municipal nº 2, de 19 de Janeiro de 1948 foi criado no município de Floresta o distrito de Carnaubeira, nome dado devido à quantidade de Carnaúbas existente na região.
Foi elevado à categoria de município com a denominação de Carnaubeira da Penha, pela lei estadual nº 10.626, de 01 de Outubro de 1991, desmembrado de Floresta. A Sede passou a ser no antigo distrito de Carnaubeira, atual Carnaubeira da Penha.
Segundo o Instituto Socioambiental, “a Serra do Arapuá possui 47 núcleos populacionais denominado pelos indígenas de aldeias, entre eles a Serra da Cacaria, que geograficamente se distingue dos demais por ser um relevo independente”. Nestas aldeias habitam índios Pankará, que estão em processo de territorialização, pequenos agricultores não-índios e médios fazendeiros. Segundo o IBGE, também habita na Serra do Arapuá uma comunidade quilombola, chamada Tiririca dos Crioulos.
Na Serra Umã está a Reserva Indígena dos Índios Atikum, que vivem da agricultura de subsistência.