木垒地处古丝绸之路新北道和草原丝绸之路的交汇处。
西汉时期，西域有36个国，蒲类国为其中之一，木垒为蒲类国后国（今巴里坤县为蒲类国前国）。
唐贞观十四年（640），唐王朝统一了西域各国，在木垒设蒲类县，属庭州管辖。
清代，木垒定名为“穆垒”，乾隆三十八年（1773年）设镇西府（今巴里坤），府瞎奇台，木垒属奇台。
清光绪二十二年（1896年），清政府在木垒设置警备衙门。
民国6年（1917年），木垒设县佐，仍属奇台。
民国19年（1930年），木垒正式建县，定名为木垒河县，隶属迪化行政长官公署第一行政区。
1930年，木垒设为县。
因县城西傍木垒河，故定名为木垒河县。
时辖英格堡区、西吉尔区、东吉尔区、平顶山区、水地渠区、白杨河区等六个区（乡约制），有乡若干，管理各乡村之民政事务。
1944年以后，木垒河县改设有木垒镇，辖4个保；西宁乡，辖6个保；游牧乡，辖4个保。
1949年9月26日，新疆和平解放，从此，木垒进入了一个新的历史时期。
1950年3月1日，木垒建立了人民政权：木垒河县人民政府，隶属迪化专员公署。
随着社会主义建设和生产的不断发展，木垒河县的行政区划也多次改变。
1950年建政时，木垒河县下设城关区、西宁区、游牧区，共辖15个乡，1个城关街，1个行政村。
1954年行政区划调整时，将原来的3个区划分为5个区，以序命名，1-5区。
依照党的民族区域自治的政策，由政务院批准，撤消木垒河县，于1954年7月14日成立了木垒哈萨克自治区，设自治区人民政府。
1955年2月14改称为木垒哈萨克自治县，设人民委员会。
1957年，开展了撤区并乡的区划工作。
撤销了1个农业区（二区），合并了7个乡。
撤区并乡后，全县共辖15乡（包括东城直属乡）1镇。
1958年5月，乌鲁木齐专员公署撤销，木垒哈萨克自治县划归昌吉回族自治州。