Het Varnebroekmolentje moet omstreeks het midden van de 19e eeuw zijn gebouwd voor het bemalen van de Varnebroekerpolder.
In 1974 volgde verplaatsing naar de huidige locatie. Op die plaats stond tot ongeveer het midden van de 19e eeuw de molen van de polder Het Maalwater. Die molen verdween toen als gevolg van een afspraak op 30 april 1859 om op de Geestmolenpolder van de Egmondermeer af te malen. Sinds 1922 heeft de Maalwaterpolder weer een eigen bemaling.

De Varnebroekermolen, die zijn aanduiding na de overplaatsing behield, kan thans de ca. 85 ha. grote polder op de Schermerboezem afmalen.

Noch op een kadastrale kaart van 1821, noch op de in 1858 vervaardigde topografische kaart staat een molen aangegeven. Aangenomen moet worden dat het kort na 1858 is gebouwd, want in 1863 werd het 30 ha. grote, toen aan één eigenaar toebehorende Varnebroekpoldertje bemalen door een kleine vijzelmolen met een vlucht van 8,56 m. Het zomerpeil van dit poldertje lag in die tijd ongeveer gelijk met het normale peil van de Schermerboezem, zodat de opvoerhoogte maximaal ca. 0,6 m bedroeg.

Tot 1959 vond de bemaling uitsluitend plaats op windkracht. In dat jaar is er onder in de molen een elektrisch aangedreven stalen vijzel geplaatst om de polder op peil te houden.
De molen dreigde daarna als gevolg van de aanleg van de westelijke randweg om Alkmaar te verdwijnen en werd daarom door de gemeente Heiloo aangekocht en in 1972 weggehaald en tijdelijk opgeslagen.
In 1974 werd hij op de nieuwe standplaats weer opgebouwd, zij het alleen draaivaardig. De tweede fase van de restauratie, bestaande uit het aanbrengen van gaande werk en vijzel, werd in 1977 uitgevoerd en sindsdien werd de molen vrij geregeld in werking gesteld.

Rond 2006/2007 stond de molen geruime tijd stil. Na het overlijden van de vorige vrijwillig molenaar werd de draad opgepakt, want er was nogal wat achterstallig onderhoud: hoog opschietend onkruid, verveloos, heklatten van de binnenroede slecht, remkleppen van de buitenroede vastgeroest, keerwand van de vijzelkuip lek, vijzel in een bedenkelijke staat en het zelfkruien lukte niet door gebrek aan smering. Op 16 januari 2008 werd voorzichtig weer gedraaid.

Vergeleken met de situatie voor 1974 is er het nodige veranderd: zo is de onderbouw iets hoger geworden, waardoor de vlucht thans langer is dan op de oude locatie. Ook is de windvaan van het midden van het bovenhuis naar links verplaatst; op zich logisch, omdat de molen zichzelf zo minder snel uit de wind kan kruien.

In oktober 2009 is de molen opnieuw stilgezet, voornamelijk vanwege de slechte staat van de vijzel. Begin 2012 verkocht de gemeente Heiloo de molen aan de Molenstichting Alkmaar en omgeving. Een grondige herstelbeurt werd voorbereid.

Op 17 januari 2013 werd de molen geheel afgebroken om in de werkplaats van de molenmakers Poland (Oterleek) te worden gerestaureerd. In september 2013 volgde herplaatsing. Inmiddels is de molen weer maalvaardig.

Inmiddels is naast de molen een klein hutje getimmerd, waar de molenaar tijdens het malen kan verblijven.