秦朝时期，属匈奴辖地。
西汉时期，南部部分地区为上谷郡北境，其余大部地区属匈奴。
东汉时期，今旗境属鲜卑统辖地。
三国、西晋时期，今旗境属鲜卑拓跋政权统治区。
东晋太和元年（366年），属代政权统治区。
前秦建元十八年（382年），属前秦（氐族）政权统治区。
魏登国十年（395年），属魏政权统治区。
北魏太和二十一年（497年），为怀荒镇镇戍地。
东魏武定四年（546年），属柔然辖区。
北齐武平三年（572年），属突厥辖区。
隋大业八年（612年），今旗境基本属涿郡北部地。
唐总章二年（669年），为单于都护府辖桑乾都督府管辖。
唐开元二十九年（741年），基本属突厥辖区。
唐元和十五年（820年），属幽州卢龙节度使统辖地。
五代十国时期，属契丹辽统辖地。
辽朝时期，今旗境属倒塌岭节度使司辖区南境。
金朝时期，为西京路桓州西境。
元朝时期，基本属中书省上都路桓州管辖区。
明洪武二十一年至建文四年（1388年—1402年），今旗境察干淖尔镇以东地区属开平卫辖地；查干淖尔镇以西地区归蒙古（鞑靼）辖区。
明正德五年（1510年），蒙古首领巴图孟克达延汗统一漠南蒙古诸部后，编属察哈尔万户地。
清朝初期，为直隶口北道辖境。
清康熙十四年（1675年），编为察哈尔左翼正白旗（驻哈那哈达，今胡舒庙）、镶白旗（驻巴嘎海尔罕，今盐淖尔）。
清乾隆二十六年（1761年）后，察哈尔正白、镶白二旗隶察哈尔都统署。
民国初年，沿袭清制。
民国三年（1914年），划归察哈尔特别区。
民国十七年（1928年），改隶察哈尔省管辖。
民国二十三年（1934年），属新设察哈尔盟。
民国二十六年（1937年），“七七”事变后，察哈尔省沦陷，察哈尔正白、镶白2个旗划属伪蒙古联盟自治政府管辖。
其时，正白旗辖18个佐领，镶白旗辖19个佐领。
民国三十四年（1945年）8月，日本投降，复归察哈尔省管辖。
同年11月，在内蒙古自治运动联合会领导下，开展自治运动。
民国三十五年（1946年）春，建立正白旗、镶白旗支会。
同时，察哈尔左翼正白旗民主政府成立，迁驻布日都庙（今布日都苏木）；察哈尔左翼镶白旗民主政府成立，驻衙门淖尔（今伊和淖尔苏木达布森淖尔嘎查）。
两旗民主政府隶属察哈尔省察哈尔盟民主政府。
民国三十六年（1947年）5月，察哈尔左翼正白旗、镶白旗随察哈尔盟民主政府划归内蒙古自治政府领导。
民国三十七年（1948年）11月，将察哈尔左翼正白旗、镶白旗合并，组建正白镶白联合旗，驻布日都庙，隶属察哈尔盟。
1956年9月11日，经国务院批准，将正白镶白联合旗更名为正镶白旗。
同时，将原明安太右联合旗的布拉根陶海苏木、原宝昌县的星耀区、正蓝旗的扎嘎斯台苏木西部地区，划归正镶白旗管辖。
正镶白旗人民委员会由布日都庙迁驻察汗淖尔（今察干淖尔镇）。
同时，将正镶白旗的翁公苏木西部、武恩巴图苏木（今乌宁巴图苏木）西部地区划归商都镶黄旗。
1958年9月26日，经国务院批准，撤销察哈尔盟建制后，将正镶白旗归锡林郭勒盟管辖。