50年代，考古学家在武川县大青山乡二道洼村北，发现一石器制造场。
据考，所制石器为人类由旧石器时代向新石器时代过渡时期的工具。
可见，距今一万年前本县境内已有人群部落。
汉代，在武川县南境有：莎尔登古城（今武川县青山乡），是控制山前（土默川）与山后（草地）的要道（古城遗址中发现有汉代的陶片、大口陶罐等）；土城子古城（今武川县庙沟乡），城东北为山河环绕，西南有孤山作屏障，东通黑牛沟，南达美岱沟，北通草地。
武川县北境为匈奴统辖地。
[36]东汉时，今武川县境为鲜卑族统辖地。
三国、西晋时，今武川县境为拓跋鲜卑政权统治区内。
东晋十六国时期，代建国二十九年（366年），今武川县境属代统治区内；前秦建元十八年（382年），今武川县境属前秦（氐族苻氏）政权统辖区内。
北魏太延五年（439年），北魏王朝设置武川镇（治所今县大青山乡），是北魏前期在都城平城（今山西大同东北）以北边境设置的六个军镇之一。
[36]隋时，县地属突厥。
唐时属唐，先后归云中都督府、单于大都护府及安北都护府辖。
辽神册元年（916年），入辽，属西南招讨司辖，后为西京道丰州北境。
金后，属西京路净州辖。
大定十八年（1178年），置净州天山县，辖今武川县地。
明朝时，县地为西土默特牧场。
清初，属归化厅土默特及喀尔喀右翼旗。
康熙、乾隆年间，今县城初名克克伊尔根（正音为呼和额日格），后渐演变为可可以力更。
清光绪二十九年（1903年），置武川厅，为口外十二厅之一，属山西布政使归绥兵备道，称武川直隶厅，设抚民同知，加理事衔。
原拟在翁衮城设治，因地偏远，寄治于归化城。
民国元年（1912年），改厅为县，置县时，县境总面积两万多平方千米，包括今之乌兰花、大滩、旗下营等地。
中华人民共和国成立后，区划逐步演变为现境。
民国三年（1914年），绥远与山西分治后，武川县隶属绥远特别行政区。
民国四年（1915年），县府由归化城迁到可镇。
民国十七年（1928年），绥远特别行政区改为绥远省，武川县隶属于绥远省。
民国二十六年（1937年）10月，日伪蒙古军进占县城，同年11月14日，成立伪县公署，属巴彦塔拉盟辖，为二等县。
同年，国民党县政府随绥远民众抗日自卫军进驻县内山区庙沟一带。
民国二十七年（1938年）9月，八路军挺进大青山，民国二十八年（1939年），将武川县一分为四，即归武县、武归县、武川县、武固县。
抗战期间，共产党与国民党在本县均存游击县政府，随军转移。
民国三十四年（1945年）8月，日本投降后，武川县恢复抗战前辖地，属绥北行政区。
1949年9月19日，武川县随绥远省和平起义获得解放，属绥远省萨拉齐专区。
1954年10月，属集宁专区。
1956年8月，属平地泉行政区。
1958年3月至1996年1月，属乌兰察布盟。
1996年1月至今，属呼和浩特市管辖。