戰(zhàn)國時期，今五原縣地區(qū)屬趙國云中郡。
秦朝時期，屬九原郡臨河縣（治所在今臨河縣北境）轄地。
西漢時期，置廣牧縣（中部都尉駐所，治所在今五原縣錦旗鄉(xiāng)與烏拉特前旗金星鄉(xiāng)之間的西土城古城址），轄今五原縣地區(qū)，隸屬朔方郡。
元朔二年（前127年），將九原郡更名五原郡，治所在九原（今包頭市西），轄有今五原縣地區(qū)。
西漢末年，邊郡并廢，為南匈奴牧地。
東漢光武中興時期，恢復(fù)漢置邊郡，今縣境屬朔方郡沃野縣（治所在今臨河縣西南）轄地，隸屬并州。
[24]三國到西晉初期，今五原縣境為南匈奴牧地。
東晉十六國時期，迭次為后趙、前秦、后秦所置朔方郡轄地。
夏國龍升三年（409年），今縣境屬匈奴赫連勃勃所建夏屬地。
北朝時期，今縣境屬北魏沃野鎮(zhèn)鎮(zhèn)戍地，西魏仍為沃野鎮(zhèn)鎮(zhèn)戍地，北周為永豐鎮(zhèn)轄地。
隋朝初期，屬豐州。
大業(yè)元年（605年），置五原郡（郡治九原，在今五原縣南），并隸大同城護守。
唐朝初期，屬豐州（治所九原，今五原縣南），隸屬關(guān)內(nèi)道。
貞觀時期，改州為九原郡。
遼、金朝時期，今縣境屬西夏所置黑山威福軍司（治所兀剌海城，今烏拉特中旗境）轄地。
[25]元至順元年（1330年），今五原縣境屬兀剌海路（治所兀剌海城，今烏拉特中旗境內(nèi)）管轄，隸屬甘肅行省。
明朝初期，屬寧夏衛(wèi)轄區(qū)，隸屬陜西統(tǒng)領(lǐng)。
萬歷十年（1582年），今縣境屬蒙古鄂爾多斯部牧地。
清順治六年（1649年），編屬鄂爾多斯左翼后旗（達拉特旗）和右翼后旗（杭錦旗）轄地。
乾隆四年（1739年），改屬山西歸綏道薩拉齊廳西部轄地。
光緒二十九年（1903年），析薩拉齊廳西境置五原廳，駐興盛旺（后移隆興昌），隸屬山西歸綏道。
[26]民國元年（1912年），五原廳改為五原縣。
民國三年（1914年），建縣城于白圪梁（今縣舊城），統(tǒng)領(lǐng)后套全境，隸屬綏遠特別區(qū)綏遠道。
民國十四年（1925年），劃出五原縣豐濟渠以西之地，設(shè)置臨河設(shè)治局；劃出五原縣與包頭縣接壤之后套東部地，設(shè)置大佘太設(shè)治局。
民國十五年（1926年）9月27日，馮玉祥率國民軍在五原誓師北伐，曾一度更名“義旗縣”。
民國十八年（1929年），五原縣改隸綏遠省。
民國二十八年（1939年），綏遠省政府移駐陜壩，五原成為西北抗日前線的軍事重鎮(zhèn)。
民國二十九年（1940年）3月，著名的“五原戰(zhàn)役”殲滅大量入侵五原縣的日偽軍，把日本侵略者趕出后套地區(qū)。
民國三十一年（1942年），綏遠省在后套實行新縣制，劃出五原縣西境部分地區(qū)，另置晏江縣，駐塔爾湖。
民國三十四年（1945年）9月，五原、晏江二縣隸屬綏遠省政府在陜壩設(shè)置的綏西專員公署。
[27]民國三十八年（1949年）9月19日，五原縣和平解放，屬綏遠省綏西專署。
1950年春，五原縣人民政府成立，駐城關(guān)鎮(zhèn)，隸屬綏遠省陜壩專員公署。
1953年9月1日，將晏江縣更名達拉特后旗，駐塔爾湖。
1954年3月6日，五原縣和達拉特后旗改隸內(nèi)蒙古自治區(qū)河套行政區(qū)。
同年10月1日，河套行政區(qū)人民政府與烏蘭察布盟（今烏蘭察布市）人民政府雙方邊界線調(diào)整中將五原縣北部的4個鄉(xiāng)、達拉特后旗4個鄉(xiāng)劃歸烏拉特中后聯(lián)合旗和烏拉特前旗。
1958年4月2日，河套行政區(qū)撤銷，五原縣劃歸巴彥淖爾盟管轄。
同年7月5日，撤銷達拉特后旗（原晏江縣），其行政區(qū)域并入五原縣。
1978年后，五原縣人大常委會和人民政府成立。