秦始皇二十六年（前221）设零陵县，治今全州县西南，辖今全州、兴安、资源、灌阳、灵川等县地，为今市境二级政区之始，属长沙郡；其余属桂林郡地。
西汉元鼎六年（前111）置始安县，治今桂林市区，辖今桂林城区和阳朔、龙胜、灵川等县地，和零陵县同属零陵郡，其余属苍梧郡地。
三国吴甘露元年（265），析零陵郡置始安郡，治始安县。
郡为地方二级政区，今桂林市境分属始安、零陵、苍梧等郡地。
两晋分属始安、零陵、苍梧、桂林等郡地。
南朝梁天监六年（507）分广州置桂州。
大同六年（540）移桂州州治于始安县（今桂林市区），今市境仍属始安、零陵、苍梧、桂林等郡。
隋为始安、零陵郡地。
唐废郡置州，为桂州、昭州、永州地。
北宋至道三年（997），桂州为新置的广南西路治，桂林首次为广西首府。
南宋绍兴三年（1133），升桂州为静江府，今市境属广南西路静江府、昭州和荆湖南路全州地。
元改昭州为平乐府，改全州为全州路，改静江府为静江路，今境属广西中书省静江路、平乐府和湖南中书省全州路地，静江路为广西中书省治。
明洪武元年（1368）改静江路为桂林府，洪武二十七年（1394），湖广永州府全州、资源、灌阳等县划归桂林府，今市境属广西承宣布政使司桂林府、平乐府地，桂林府为司治。
清仍为桂林府、平乐府地，桂林府为广西省治。
1913年废桂林、平乐2府，设漓江道，属广西省，省会迁邕宁道。
1914年漓江道更名桂林道。
1930年改设为桂林、平乐2民团区。
1934年改为桂林、平乐2行政监督区。
1936年省会迁回桂林。
1939年，划桂林县城和附廓置省辖桂林市。
1940年为桂林市和第一行政督察区、第二行政督察区。
1944年为桂林市和第八行政督察区、第十四行政督察区。
1949年12月桂林市为省辖市，成立桂林专区、平乐专区，省会迁南宁。
1958年7月撤销平乐专区，将其所辖的平乐县、荔浦县、恭城县、灌阳县划归桂林专区，属广西僮族自治区。
1960年7月桂林市由桂林专区代管，桂林市和桂林专区合署办公。
1961年5月，桂林市复为自治区辖市。
1965年属广西壮族自治区。
1971年11月，桂林专区改桂林地区，今市境为桂林市和桂林地区。
1981年、1983年，原桂林地区阳朔县和临桂县先后划入桂林市。
1998年8月，桂林市、桂林地区合并，成立现桂林市。
2024年临桂县改临桂区，市人民政府驻地由象山区迁至临桂区（文件批复时间为2024年，市人民政府实际于2024年正式搬迁至临桂区）。
2024年下辖的荔浦县改为荔浦市。