西汉元鼎六年（前111），将军李息、郎中令徐自为征羌，兵至青海东部，包括大通在内的湟水流域地区纳入西汉版图。
神爵二年（前60），在西平亭以西置临羌县，上隶于金城郡，今大通县地时属临羌县。
东汉建安年间，分金城郡置西平郡，领西都、临羌、长宁、安夷4县，大通县地先后属西都、长宁县。
魏晋至北朝末，大通仍属西都、长宁县。
公元4世纪初，西晋中央政权开始分裂，大通地区先后被前凉、前秦、后凉、南凉、西秦、北凉等地方政权迭据。
北魏太延五年（439），北凉投降北魏，今大通地为北魏辖地。
孝昌二年（526）后，陷于吐谷浑。
北周建德五年（576），北周击败吐谷浑，大通地区归北周统治。
隋开皇元年（581），隋取代北周，大通地区归隋。
唐武德二年（619），在今青海东部地区设鄯州和廓州，大通为鄯州地。
贞观元年（627），陇右道以鄯州为中心，辖青海湟水流域包括大通在内的地区。
至德二年（757），吐蕃攻占西平。
大通地区自此归吐蕃控制。
大中五年（851），沙州（今甘肃安西东，治敦煌）首领张义潮起义，先后收复瓜、沙、鄯、廓等11州，河湟地区包括大通在内尽归于唐，大通为鄯州属地。
北宋大中祥符七年（1014），大通为河湟吐蕃唃厮啰政权辖地。
元符二年（1099），宋朝收复青海东北部地区。
崇宁三年（1104），改鄯州为西宁州，大通属西宁州。
南宋绍兴元年，金天会九年（1131），金兵占领西宁，今大通县地属金西宁州辖地。
西夏大德二年（1136），西夏进占青海东部河湟地区，仍置西宁州，大通县地属西夏西宁州辖地。
宝庆三年（1227），成吉思汗所属军队攻占西宁州，大通遂为蒙古族统治地区。
元至元十八年（1281），置甘肃行中书省（驻今张掖），辖西宁州，大通属西宁州管辖。
明洪武四年（1371），明军进入西宁州，次年，改西宁州为西宁卫，辖大通地，上隶于陕西行都司。
明末清初，大通属青海蒙古族和硕特部。
雍正三年（1725），改西宁卫为西宁府。
筑大通（今门源县城）、白塔（今大通城关）、永安三城，置大通卫（治大通城），辖白塔、永安二营，属西宁府管辖。
乾隆九年（1744），大通卫署迁于白塔城；乾隆二十六年（1761），改大通卫为大通县。
1913年始，大通县由西宁道管辖。
1929年1月，青海建省，大通为青海省直属县，同时将原大通县红山堡划归新置门源县辖。
1949年9月9日，大通解放，9月15日，大通县人民政府成立，直属青海省人民政府。
1960年5月8日，经国务院批准，大通县划归西宁市领导。
1961年8月15日起，大通县仍划为省直属县。
1966年5月16日，经国务院批准，大通县划为西宁市辖县。
1985年11月6日，经国务院批准，成立大通回族土族自治县。