במשך מאות שנים חלקו שתי מדינות אלה קשרים היסטוריים ותרבותיים, בזמן שהיו חלק מהאימפריה הספרדית, אך הן נוהלו בנפרד: הקפיטניה חנרל של צ'ילה ובית המשפט המלכותי בפנמה. המגעים הראשונים בין שתי המדינות, שהוקמו כרפובליקות ריבוניות, היו ברמה הקונסולרית, לאחר שבשנת 1868 מונה הדיפלומט הצ'יליאני אגוסטין וידאל כקונסול בפנמה. במהלך מלחמת האוקיינוס השקט תבעה צ'ילה את מדינת פנמה הריבונית (באותה תקופה חלק מארצות הברית של קולומביה) לתמיכה הניתנת למטרה הפרואנית על ידי אישור משלוח נשק וציוד צבאי מאירופה, ארצות הברית וקוסטה ריקה.
באוקטובר 2006 חתמו שתי המדינות על הסכם שיתוף פעולה מוסדי בטמוקו לשיתוף פעולה בתחום המחקר, החדשנות ויצירת טכנולוגיות חדשות. בשנת 2018 הביעה ממשלת צ'ילה את תמיכתה בפנמה לנוכח המשבר הדיפלומטי שעמד מול ממשלת ונצואלה.
מקרה ברנאלס
במהלך ביקור רשמי שערך מפקד משטרת צ'ילה חוסה אלחנדרו ברנאלס בפנמה סיטי, המסוק בו נסע עם אשתו ועשרה אנשים נוספים התרסק לשכונת קלידוניה, כשהוא מתנגש בבניין, ב-29 במאי2008 בשעה 14:13. 11 מתוך 12 הנוסעים נפטרו, בהם ברנאלס, אשתו ובכירי משטרה נוספים. ההתרסקות גרמה גם לנזקים שונים בשכונה וגרמה לשריפה. חקירת התאונה נמשכה יותר משנה וכללה טבלאות דו-צדדיות וחוות דעת מומחים בין שתי המדינות, אשר קבעו כי המסוק לא היה יכול לבצע את הטיסה האמורה, בגלל תנאי ביטחון מסוכנים, כל אלה הובילו את משפחות הקורבנות לתבוע את מדינת פנמה בגין מות הנוסעין, שכן ניתן היה למנוע את המוות אם היו נוקטים באמצעי הביטחון האוויריים המינימליים. לבסוף השיגה פנמה הסכם פיצויים שהסתכם ב-6.47 מיליון דולר ל-12 משפחות הנוסעים.
נשיא פנמהריקרדו מרטינלי ערך ביקור רשמי בצ'ילה באוקטובר 2011, שם התקבל על ידי הנשיא סבסטיאן פיניירה. לאחר מכן, באפריל 2017, ערך הנשיא חואן קרלוס וארלה ביקור רשמי בצ'ילה, באותה הזדמנות, יחד עם הנשיאה מישל בצ'לט, הוא חתם על מזכר הבנות לשיתוף פעולה בעניינים קונסולריים, ואחר בנושא חקלאות, ובנוסף נשיאת צ'ילה הביעה את תמיכתה בצירוף פנמה לברית הפסיפית.
נציגויות דיפלומטיות
צ'ילה מחזיקה בפנמה שגרירות בפנמה סיטי וקונסוליה בדויד.
