漢宣帝神爵二年(公元前60)，漢朝設西域都護府，管轄西域地區，今伊寧縣一帶正式納入祖國版圖。唐高宗顯慶二年(657)，唐朝滅西突厥汗國，基地高臺嗢鹿州都督府，隸屬安西都護府。

乾隆二十七年(1762)，清政府在伊犁設置“總統伊犁等處將軍”，治理新疆天山南北以及巴爾喀什湖以東以南廣大地區，筑“伊犁九城”，其中在固勒扎筑寧遠城，并陸續從南疆各地增調維吾爾人來伊犁分撥屯種，史稱“回屯”。

光緒十年（1884），新疆建省。1888年5月25日設寧遠縣，隸屬伊塔道伊犁府，管轄伊犁府除綏定縣以外的廣大地區。

民國3年(1914)，寧遠縣改稱伊寧縣。

民國6年(1917)，伊犁道分設伊犁、塔城兩道，后伊犁道改為行政區，伊寧縣隸屬之。

民國21年（1932）3月24日，以喀什河為界析置鞏留縣，伊寧縣轄5個行政區。

1949年9月25、26日，新疆和平解放。12月中旬，中國人民解放軍進駐伊寧縣城。1950年6月，伊寧縣人民政府宣告成立。

1951年，伊寧縣伊犁河南坎區6個鄉劃歸寧西縣（今察布查爾縣）。

1952年5月23日，政務院批準設立伊寧市，縣城5個區析置劃歸伊寧市，時縣轄9個區。

1953年，伊寧縣六區七鄉（庫色木契克鄉）劃歸博樂縣、八區三鄉（瑪勒巴扎）劃歸伊寧市。

1955年3月，伊犁專署建制撤銷后，伊寧縣與伊犁地區其余7縣1市成為伊犁哈薩克自治州直屬縣（市）。

1957年，伊寧縣城遷駐吉里于孜。1958年人民公社化時，各區改設為紅旗、勝利、紅星、團結、天山、十月、火箭、新路、燈塔（年底撤銷）、五一共10個公社，到1962年又先后成立第一、第二、第三公私合營牧場。

1966年1月，麻扎鄉（原尼勒克縣東風公社4個大隊）由尼勒克縣劃歸伊寧縣。

1975年，紅旗（巴彥岱）公社、反修（界梁子）牧場劃歸伊寧市。同年恢復伊犁地區行政公署，伊寧縣歸其領導。經過多次更迭，到1977年末，全縣共有13個人民公社、2個地方國營農場、3個公私合營牧場、個良種繁育場。

1978年，各公社改以駐地命名。1979年伊犁地區建制再度撤銷，伊寧縣復為伊犁州直屬縣。1980年9月，十月公社析置成立薩木于孜公社。1981年12月，伊寧縣革委會被撤銷，恢復成立縣人民政府。

1985年1月，伊犁地區行政公署建制再次恢復，伊寧縣隸屬之。同年政社分開，原人民公社分別更名為鄉、鎮，全縣共轄2鎮、16鄉（其中1個為民族鄉）、2個地方國營農場、3個地方國營牧場。1987年成立喀拉亞尕奇、阿烏利亞2鄉。1998年7月28日，3個牧場改制，分別劃歸臨近鄉管理。2001年伊犁地區行政公署建制第3次被撤銷，伊寧縣再度成為伊犁州直屬縣。

2004年9月，潘津、達達木圖兩鄉劃歸伊寧市管理，草場仍屬伊寧縣所轄。

伊寧縣自建縣以來到2004年，面積由46848平方千米先后劃出40695.45平方千米。

2014年10月21日，經自治區人民政府批準，同意撤銷英塔木鄉建制，設立英塔木鎮。

2015年7月24日，經自治區人民政府批準，同意撤銷胡地亞于孜鄉建制，設立胡地亞于孜鎮。

2016年1月，經自治區人民政府批準，同意撤銷巴依托海鄉建制，設立巴依托海鎮。

2016年11月20日，經自治區人民政府批準，同意撤銷縣阿熱吾斯塘鄉建制，設立阿熱吾斯塘鎮。

2018年6月，經自治區人民政府批準，同意撤銷薩木于孜鄉建制，設立薩木于孜鎮。

2018年6月，經自治區人民政府批準，同意撤銷喀什鄉建制，設立喀什鎮。

2018年，伊寧縣完成青年農場、多浪農場2個國有農場辦社會職能改革工作，分別改稱阿烏利亞青年片區委員會、英塔木多浪片區委員會。

2022年末，全縣轄10鎮8個鄉，152個村民委員會（居民委員會）。轄區內另有新疆生產建設兵團第四師七○團、天山西部國有林管理局伊寧分局、天山西部國有林管理局蒙瑪拉分局等多家駐縣單位。

轄區鄉鎮（片區）為：吉里于孜鎮、墩麻扎鎮、英塔木鎮、胡地亞于孜鎮、巴依托海鎮、阿熱吾斯塘鎮、喀什鎮、薩木于孜鎮、吐魯番于孜鄉、薩地克于孜鄉、武功鄉、曲魯海鄉、愉群翁回族鄉、溫亞爾鎮、麻扎鄉、維吾爾玉其溫鎮、喀拉亞尕奇鄉、阿烏利亞鄉。