旧石器时代中、晚期，环县地区就有古人类活动，新石器时代人类活动范围进一步扩大。

夏、商、西周，地属西戎。春秋时期和战国前期属义渠戎国。战国后期属秦国北地郡。秦统一前后置方渠县（或方渠除道），属北地郡。西汉置方渠县（或方渠除道），治在方渠（今曲子镇刘旗村），属北地郡。东汉属凉州刺史部北地郡参䜌县。三国、西晋间，没入羌、胡。东晋十六国时，历属前赵、后赵、前秦、后秦安定郡及赫连勃勃夏国陇东郡。北魏属豳州西北地郡。西魏、北周置归德县，治在归德（今耿湾乡黑城岔一带），属宁州西北地郡。隋大业初，置弘德县，治在弘德城（今洪德镇），属弘化郡。唐初属马岭县，景龙元年（707）析置方渠县，治在方渠（今环城镇），历属庆州、安化郡、顺化郡。中唐时期，境内置若干羁縻州都督府和羁縻州，以安置内徙党项、吐谷浑部族。晚唐和五代初，降为方渠镇，属灵州。后晋天福四年（939），方渠镇升置威州。后周广顺二年（952），为避太祖郭威讳，改称环州，政区始用“环”称。显德四年（957），降为通远军。宋初仍置通远军，淳化五年（994）复为环州，领通远县，州、县皆治通远（今环城镇），属陕西路。天圣元年（1023）改通远县为方渠县，景祐元年（1034）复为通远县。金置环州，领通远县，州、县治皆在通远，属庆原路。大定年间，升为刺郡，领通远县。元置环州，领通远县，属陕西行省巩昌等处总帅府。至元七年（1270），县并入州。明洪武二年（1369），降环州为环县，属陕西布政使司庆阳府。洪武间设环县守御千户所，弘治中设安边守御千户所，属陕西都司庆阳卫。清置环县，治在环城。清初属陕西布政使司庆阳府，康熙八年（1669）改属甘肃布政使司庆阳府。民国仍置环县，治在环城，历属陇东道、泾原道、甘肃省第三行政督察区，民国22年（1933），县政府由环城迁曲子镇。1936年6月后，民国县政府流亡于西峰镇、甜水堡和固原七营。

1936年6月，中国人民红军西方野战军西征解放县境，建立革命政权，环县成为陕甘宁革命根据地的重要组成部分。1936年7月至1937年8月，中共陕甘宁省委、陕甘宁省苏维埃政府驻河连湾、曲子镇，1937年9月至1940年8月，庆环（陇东）分区党政机关驻曲子镇。革命根据地时期，境内相继建立环县、曲子、固北、豫旺、定环5县政权。环县初辖环城、洪德、黑城岔、胡家洞子、郭家塬、山城6区，后辖环城、洪德、耿湾、虎洞、毛井、车道、甜水7区，县党政机关驻洪德城、河连湾、环城南关。曲子县初辖曲子、八珠、木钵、天子、合道、马岭、土桥、悦乐8区，后辖曲子、合道、木钵、八珠、三岔（1942年6月划归镇原县）、土桥、马岭、天子、演武等区和曲子市，县党政机关驻曲子镇。固北县初辖毛井、车道、庙儿掌、二龙山、草庙子5区，县党政机关驻三条俭、苦水掌、河连湾，1938年4月县级建置撤销，毛井、车道、庙儿掌区划归环县。豫旺县1936年7月设立时，党政机关驻甜水堡，后迁至河连湾，所辖甜水堡、毛居井、罗山3区属今环县，次年3月县级建置撤销。定环县初辖耿湾、山城和罗儿崾崄、姬原4区，县党政机关驻河连湾、黑城岔，1937年10月县级建置撤销，耿湾、山城区划归环县。

1950年6月撤销曲子县，马岭、土桥2区划归庆阳县，曲子等5区划归环县。此后，境内县级政区设置、辖境和县党政机关驻地长期稳定，环县先后隶属甘肃省庆阳分区、平凉专区、庆阳专区、庆阳市。1950年代初，县辖环城、八珠、曲子、天子、合道、车道、毛井、虎洞、洪德、耿湾、甜水11个区。1958年10月实行人民公社化，辖曲子、合道、八珠、木钵、环城、洪德、耿湾、车道、毛井、虎洞、甜水、南湫、天池、小南沟14个人民公社，1962年3月辖30个人民公社，1965年1月辖17个人民公社，1980年3月辖25个人民公社。1983年12月，人民公社改为乡，辖环城、西川、曲子、许家河、合道、何坪、演武、天池、吴城子、木钵、八珠、樊家川、车道、毛井、芦家湾、虎洞、小南沟、洪德、罗山川、耿湾、秦团庄、四合原、山城、甜水、南湫25乡。1985年3月后，环城、曲子等先后改乡为镇，2003年8月后，先后撤销西川、许家河、四合原、吴城子、何坪等乡。2017年，县辖环城、曲子、合道、木钵、樊家川、洪德、甜水、虎洞、毛井9镇，天池、演武、八珠、车道、芦家湾、小南沟、罗山川、南湫、山城、秦团庄、耿湾11乡和四合原旅游开发办公室，下设251个村、1487个村民小组和5个城市社区。2019年，县辖环城、曲子、合道、木钵、樊家川、洪德、甜水、虎洞、毛井、车道10镇，天池、演武、八珠、芦家湾、小南沟、罗山川、南湫、山城、秦团庄、耿湾10乡，下设251个村、1487个村民小组和6个城市社区。