早在新石器时代，多伦县境内就有人类活动。
清康熙三十年（1691年），康熙皇帝举行了著名的“多伦诺尔会盟”，漠北蒙古正式归附清朝中央政府，改变了当时东北亚的政治格局。
从此，多伦诺尔迅速发展成为蒙古地区“藏佛教之都”、“旅蒙商之都”、“民族手工业之都”和军事重镇。
康熙四十九年（1710年），清政府直隶省在多伦诺尔设立“兴化镇”，隶属于直隶省管辖。
雍正十年（1732年），设立归化城理事厅和多伦诺尔理事厅，为清政府在内蒙古地区设立最早的行政机构之一。
多伦诺尔理事厅作为直隶省最北的行政司法机构，直接管辖的行政地域包括多伦诺尔城、察哈尔左翼正蓝旗、正白旗、镶白旗、镶黄旗近两万多平方千米。
司法诉讼管理范围涉及内外蒙古130多旗，成为代表朝廷在内外蒙古广大地区直接行使权力的地方政府。
光绪七年（1881年），清政府改多伦诺尔理事厅为多伦诺尔抚民厅，管理察哈尔左翼四旗辖境内的一切行政事务。
民国二年（1913年），废多伦诺尔抚民厅，设为多伦县。
民国三年（1914年），设立察哈尔特别行政区，多伦县属之。
民国十七年（1928年），察哈尔特别行政区改省，多伦县属之。
民国三十四年（1945年）8月，苏蒙联军打败日军，在多伦城区设立多伦苏维埃市，辖多伦诺尔旗。
民国三十八年（1949年）5月，撤销多伦市建制，改设城关区。
1949年10月1日，中华人民共和国成立，多伦县政府改称多伦县人民政府。
1950年8月，根据中央政府内务部决定，多伦县划归内蒙古自治区，隶属察哈尔盟。
1958年10月，锡林郭勒盟和察哈尔盟合并，撤销察哈尔盟建制，多伦县隶属锡林郭勒盟。