沽源，自古为北方各民族的游牧地。唐虞（尧，舜）以上有猃狁、荤粥、山戎随畜牧而转移；夏为荒服地；商周为鬼方之地；战国属燕上谷郡境北。
公元前221年，秦始皇统一中国，推行郡县制，分天下为三十六郡，沽源属上谷郡境北；楚汉争霸之际，属匈奴游牧地；西汉元狩四年（前119年），乌桓人进入沽源，同匈奴残部相融合。
东汉延熹六年（163年），鲜卑一部进入沽源；西晋太康元年（280年），分天下为十九州，沽源居幽州境北；元康六年（296年），鲜卑拓跋部居沽源。北魏期间，境内置御夷镇；隋为涿郡北境，西奚游牧地；唐为武州外境，突厥、西奚和契丹杂居，属河东道北境；五代始，沽源由契丹占据。
辽，沽源隶西京道奉圣州望云县。
金，分辖区为十九路，沽源隶西京路，天辅七年（1123年），降昌州（今九连城）为建昌县，隶桓州。昌州，是县境内历史上最早的行政建置。明昌七年（1196年），复置昌州，领宝山县，隶抚州，沽源分属桓州和抚州。
元初，沽源分属宣德府昌州和开平府；中统三年（1262年），分属隆兴路昌州和开平府；至正五年（1268年），分属隆兴路昌州和上都路桓州；
皇庆元年（1312年）十月，改隆兴路为兴和路，沽源分属兴和路昌州和上都路桓州；延佑六年（1319年）闰八月，以故昌州宝山县置宝昌州，沽源分属兴和路宝昌州和上都路桓州。
明洪武二年（1369年），隶北平行省开平府，后废府置卫，隶北平都司；宣德五年（1430年），开平卫移卫独石口，沽源复成为北元蒙古族人的驻牧地。
清康熙十四年（1675年），县境由东向西分属察哈尔镶白旗、察哈尔正白旗和察哈尔镶黄旗牧地，由在京蒙古都统兼管，隶理藩院典属司。
雍正十年（1732年）设多伦诺尔理事同知厅，雍正十二年（1734年）置独石口理事同知厅，沽源以好来沟、石柱子、老掌沟一线为界，南北分属直隶省独石口、多伦诺尔二厅管辖。
乾隆二十六年（1671年），在张家口设察哈尔都统，专管察哈尔八旗游牧和军务之事，多伦诺尔、独石口二厅属之。
光绪七年（1881年），改多伦诺尔、独石口理事同知厅为多伦诺尔、独石口抚民同知厅，沽源分属直隶省口北
道多伦诺尔、独石口二厅。
1913年2月，裁撤独石口抚民同知厅，改为独石县，县治独石口，隶属直隶省口北道。1914年7月，隶察哈尔特别区兴和道。
1915年8、9月间，因独石口城西傍沽水（白河），北近其源，更名沽源县，隶属不变。1919年，沽源县政府驻地由独石口迁驻小河子，隶属不变。
1928年6月28日，隶河北省，9月17日，隶察哈尔省。
1935年12月，沽源县境以狼尾巴山，南、北石柱子，小厂，椴木梁，东栅子一线为界，分隶察哈尔省和伪“满洲国丰宁县”。1936年1月22日，沽源县分隶伪“察哈尔盟”和伪“满洲国丰宁县”；
1936年7月19日至1945年8月13日，沽源县分隶伪“察哈尔盟宝源县”和伪“满洲国•57•县情概览丰宁县”。1940年4月，随着平北抗日根据地建立，逐步建立联合县人民民主政权。
1941年3月，西辛营乡、莲花滩乡沿坝一带隶属晋察冀边区北岳区冀北办事处十四专署（平北）龙崇赤联合县十一区；
1943年2月26日，西辛营乡、莲花滩乡沿坝一带隶属晋察冀边区北岳区平北办事处龙崇赤联合县十一区；
1944年10月，西辛营乡、莲花滩乡沿坝一带隶属晋察冀边区冀察区行署十二专署（平北）赤源联合县九区；
1945年6月，成立沽源县。8月13日，宝昌解放，月底，成立宝源县，县治宝昌镇，11月6日，宝源县隶晋察冀边区行政委员会察哈尔省人民政府察北专区（十三专区）。
1946年4月，宝源县隶察北专区（七专区）。10月，宝源县隶晋察冀边区政府冀热察区行政公署察北专区。
1946年10月17日，国民党占据沽源；1947年2月，设国民党沽源县政府，县治平定堡，隶察哈尔省。
1947年2月，中共宝源县与张北县合并，成立张宝联合县，隶晋察冀边区冀热察区行政公署察北专区，7月联合县分开。
1947年5月，宝源县隶东北行政委员会冀热察辽办事处冀热察行署察北专区。
1948年9月10日，平定堡第二次解放，隶华北联合行政委员会晋察冀边区北岳区察北专区；12月28日，宝源县全境解放，隶华北人民政府北岳区察北专区；
1949年1月15日，隶华北人民政府察哈尔省人民政府察北专区。
1950年8月28日，沽源与宝昌分设，沽源县治平定堡，隶察哈尔省察北专区。
1952年4月18日，沽源县隶华北行政委员会察哈尔省察北专区。
1952年11月15日，撤销察哈尔省建制，沽源县隶河北省张家口专区。
1958年9月19日，沽源县所辖行政区域并入张北县，县治张北，隶张家口专区。
1959年5月13日，撤销张家口专区，改隶张家口市。
1961年5月25日，恢复沽源县，县治平定堡，隶张家口专区。
1967年12月，张家口专区更名为张家口地区，沽源县隶属之。
1993年6月19日，实行地、市合并。7月1日，张家口地区与张家口市正式合并为张家口市，隶张家口市至今。
