Det tyrkiske styret varte kun fram til 1500 da øya ble erobret av en felles spansk-venetiansk hær, en sjelden suksess fra republikken Venezia i krigen mot Det osmanske rike (1499–1503). Fra da av forble Kefallinia og Ithaka oversjøiske kolonier av Venezia fram til 1684. Det venetianske styret i nær 300 år påvirket øyas kultur, arkitektur og språk. I løpet av denne tiden ble to av byene etablert, Argostoli i 1528 og Lixouri i 1534. Kefallinias byer og landsbyer var hovedsakelig bygd høyt på åser og berg som forsvar mot angrep fra pirater.