战国时期，今五原县地区属赵国云中郡。

秦朝时期，属九原郡临河县（治所在今临河县北境）辖地。

西汉时期，置广牧县（中部都尉驻所，治所在今五原县锦旗乡与乌拉特前旗金星乡之间的西土城古城址），辖今五原县地区，隶属朔方郡。

元朔二年（前127年），将九原郡更名五原郡，治所在九原（今包头市西），辖有今五原县地区。

西汉末年，边郡并废，为南匈奴牧地。

东汉光武中兴时期，恢复汉置边郡，今县境属朔方郡沃野县（治所在今临河县西南）辖地，隶属并州。

[24]三国到西晋初期，今五原县境为南匈奴牧地。

东晋十六国时期，迭次为后赵、前秦、后秦所置朔方郡辖地。

夏国龙升三年（409年），今县境属匈奴赫连勃勃所建夏属地。

北朝时期，今县境属北魏沃野镇镇戍地，西魏仍为沃野镇镇戍地，北周为永丰镇辖地。

隋朝初期，属丰州。

大业元年（605年），置五原郡（郡治九原，在今五原县南），并隶大同城护守。

唐朝初期，属丰州（治所九原，今五原县南），隶属关内道。

贞观时期，改州为九原郡。

辽、金朝时期，今县境属西夏所置黑山威福军司（治所兀剌海城，今乌拉特中旗境）辖地。

[25]元至顺元年（1330年），今五原县境属兀剌海路（治所兀剌海城，今乌拉特中旗境内）管辖，隶属甘肃行省。

明朝初期，属宁夏卫辖区，隶属陕西统领。

万历十年（1582年），今县境属蒙古鄂尔多斯部牧地。

清顺治六年（1649年），编属鄂尔多斯左翼后旗（达拉特旗）和右翼后旗（杭锦旗）辖地。

乾隆四年（1739年），改属山西归绥道萨拉齐厅西部辖地。

光绪二十九年（1903年），析萨拉齐厅西境置五原厅，驻兴盛旺（后移隆兴昌），隶属山西归绥道。

[26]民国元年（1912年），五原厅改为五原县。

民国三年（1914年），建县城于白圪梁（今县旧城），统领后套全境，隶属绥远特别区绥远道。

民国十四年（1925年），划出五原县丰济渠以西之地，设置临河设治局；划出五原县与包头县接壤之后套东部地，设置大佘太设治局。

民国十五年（1926年）9月27日，冯玉祥率国民军在五原誓师北伐，曾一度更名“义旗县”。

民国十八年（1929年），五原县改隶绥远省。

民国二十八年（1939年），绥远省政府移驻陕坝，五原成为西北抗日前线的军事重镇。

民国二十九年（1940年）3月，著名的“五原战役”歼灭大量入侵五原县的日伪军，把日本侵略者赶出后套地区。

民国三十一年（1942年），绥远省在后套实行新县制，划出五原县西境部分地区，另置晏江县，驻塔尔湖。

民国三十四年（1945年）9月，五原、晏江二县隶属绥远省政府在陕坝设置的绥西专员公署。

[27]民国三十八年（1949年）9月19日，五原县和平解放，属绥远省绥西专署。

1950年春，五原县人民政府成立，驻城关镇，隶属绥远省陕坝专员公署。

1953年9月1日，将晏江县更名达拉特后旗，驻塔尔湖。

1954年3月6日，五原县和达拉特后旗改隶内蒙古自治区河套行政区。

同年10月1日，河套行政区人民政府与乌兰察布盟（今乌兰察布市）人民政府双方边界线调整中将五原县北部的4个乡、达拉特后旗4个乡划归乌拉特中后联合旗和乌拉特前旗。

1958年4月2日，河套行政区撤销，五原县划归巴彦淖尔盟管辖。

同年7月5日，撤销达拉特后旗（原晏江县），其行政区域并入五原县。

1978年后，五原县人大常委会和人民政府成立。