周秦时为羌人驻牧地。
汉元始四年（4），置西海郡。
4世纪初成为吐谷浑属地。
隋大业五年（609），隋军击败吐谷浑，置四郡。
隋末吐谷浑复据故地。
唐贞观九年（635），唐将率兵击败吐谷浑，成为唐朝藩属。
龙朔三年（663），吐蕃王国灭吐谷浑据有其地，隶吐蕃腊城节度使。
北宋初为吐蕃唃厮啰政权管辖。
元宪宗三年（1253），属吐蕃等处宣尉使司都元帅府管辖。
明正德五年（1510），东蒙古诸部落开始入据青海，为东蒙古部落驻牧地。
清雍正三年（1725），将青海蒙古各部划为左右两翼盟29旗，统归青海办事大臣管辖。
1915年，由甘边宁海镇守使管辖。
1919年，改设都兰理事公署，今乌兰县归其管辖。
1930年，都兰理事公署改为都兰县。
1949年11月，成立都兰县人民政府。
1950年，今乌兰县改为都兰县一区。
1959年，设立乌兰县，成立乌兰县人民委员会，县人委设于茶卡。
1962年，德令哈县并入乌兰县。
1967年，成立乌兰县革命委员会。
1980年，改为乌兰县人民政府。
1988年，将乌兰县西部的1区5乡析出设立德令哈市，乌兰县隶属于海西蒙古族藏族自治州。
2000年，乌兰县辖3镇3乡。
2001年底，乌兰县辖3个镇2个乡（希里沟镇、柯柯镇、希里沟镇、赛什克乡、铜普乡）。
2005年，撤销赛什克乡和铜普乡，设立铜普镇。