秦漢時期為月氏和烏孫游牧地。
漢宣帝神爵三年(前59年)，屬“西域都護(hù)府”。
西魏大統(tǒng)十七年(551年)，原游牧于葉尼塞河、阿爾泰山一帶的突厥族建立突厥汗國，博爾塔拉屬其轄境。
隋開皇二年(582年)，突厥分裂，博爾塔拉屬西突厥。
唐貞觀二十三年(649年)，屬瑤池都督府統(tǒng)轄。
唐顯慶三年(658年)，屬雙河都督府管轄。
自此，博爾塔拉以“雙河”的名字出現(xiàn)于史冊。
唐太宗詩句“乳海池京邑，雙河沿帝鄉(xiāng)”(《文苑英華》卷167)。
唐至德年間(756-758年)，為葛邏祿人游牧地。
唐開成五年(840年)后，樣磨、葛邏祿、回鶻等部正式建立喀拉汗朝，博爾塔拉在其領(lǐng)域之內(nèi)。
宋嘉定十一年(1218年)，成吉思汗滅西遼，征服西域，博爾塔拉歸其管轄。
宋淳祐十二年(1252年)，蒙哥汗為窩闊臺汗后裔劃分封地疆界，將包括今博爾塔拉在內(nèi)的伊犁河流域至阿姆河的廣大地區(qū)封為窩闊臺汗的后裔們。
元中統(tǒng)五年(1264年)，忽必烈為統(tǒng)治西北地區(qū)，在阿力麻里(今伊犁霍城附近)設(shè)行中書省，博爾塔拉隸阿力麻里行中書省管轄。
《元史·列傳》第一次把這里稱為“博落脫兒”，這也是“博爾塔拉”這一地名形成的開始。
大德十年(1306年)，察合臺后裔篤哇盡收海都生前所占察合臺汗國領(lǐng)地，博爾塔拉亦成為察合臺汗國領(lǐng)地。
明永樂至宣德年間，察合臺后王歪思汗西遷阿力麻里，稱為亦力把里，博爾塔拉為其統(tǒng)轄。
明萬歷十五年(1587年)，蒙古族瓦剌部和碩特巴尕斯的牧區(qū)在塔爾巴哈臺山脈西部額敏河和伊犁河沿岸一帶，博爾塔拉屬瓦剌部游牧地。
崇禎十六年(1643年)，準(zhǔn)噶爾首領(lǐng)巴圖爾渾臺吉征服托克馬克地區(qū)及阿拉套山哈薩克部落。
博爾塔拉歸蒙古準(zhǔn)噶爾部管轄。
清乾隆二十七年(1762年)，清政府設(shè)伊犁將軍府，總理南北兩路軍政事務(wù)，博爾塔拉屬伊犁將軍府管轄。
乾隆二十七至二十九年(1762-1764年)，清政府從河北張家口調(diào)察哈爾官兵攜眷分別駐防在哈布塔蓋、博羅塔拉河(博爾塔拉河)、賽里木湖等地。
乾隆三十六年(1771年)，蒙古族土爾扈特部自伏爾加河流域歸來，西路一旗被安置在精河一帶，歸伊犁將軍節(jié)制。
乾隆四十八年(1783年)，在晶河筑新城，改典史為糧員，隸烏魯木齊都統(tǒng)管轄。
光緒十一年(1885年)，改糧員為巡檢，隸庫爾喀喇烏蘇廳。
光緒十四年(1888年)、精河改設(shè)撫民直隸廳，隸鎮(zhèn)迪道。
光緒二十八年(1902年)、精河廳改隸伊塔道。
1913年4月，精河直隸廳改為精河縣。
1914年，察哈爾領(lǐng)隊大臣改為領(lǐng)隊官，隸新疆都督節(jié)制。
1920年，由精河縣析置博樂縣。
1942年，由博樂縣析置溫泉縣。
三縣建置至此形成、隸屬伊犁行政長公署。
1945年2月，三區(qū)政府成立博樂總管府，7月又改為博樂縣。
1954年7月13日，成立專署級博爾塔拉蒙古族自治區(qū)，轄博樂、精河、溫泉3縣。
1955年2月20日，博爾塔拉蒙古族自治區(qū)改稱博爾塔拉蒙古自治州。