50年代，考古學(xué)家在武川縣大青山鄉(xiāng)二道洼村北，發(fā)現(xiàn)一石器制造場。
據(jù)考，所制石器為人類由舊石器時代向新石器時代過渡時期的工具。
可見，距今一萬年前本縣境內(nèi)已有人群部落。
漢代，在武川縣南境有：莎爾登古城（今武川縣青山鄉(xiāng)），是控制山前（土默川）與山后（草地）的要道（古城遺址中發(fā)現(xiàn)有漢代的陶片、大口陶罐等）；土城子古城（今武川縣廟溝鄉(xiāng)），城東北為山河環(huán)繞，西南有孤山作屏障，東通黑牛溝，南達(dá)美岱溝，北通草地。
武川縣北境為匈奴統(tǒng)轄地。
[36]東漢時，今武川縣境為鮮卑族統(tǒng)轄地。
三國、西晉時，今武川縣境為拓跋鮮卑政權(quán)統(tǒng)治區(qū)內(nèi)。
東晉十六國時期，代建國二十九年（366年），今武川縣境屬代統(tǒng)治區(qū)內(nèi)；前秦建元十八年（382年），今武川縣境屬前秦（氐族苻氏）政權(quán)統(tǒng)轄區(qū)內(nèi)。
北魏太延五年（439年），北魏王朝設(shè)置武川鎮(zhèn)（治所今縣大青山鄉(xiāng)），是北魏前期在都城平城（今山西大同東北）以北邊境設(shè)置的六個軍鎮(zhèn)之一。
[36]隋時，縣地屬突厥。
唐時屬唐，先后歸云中都督府、單于大都護(hù)府及安北都護(hù)府轄。
遼神冊元年（916年），入遼，屬西南招討司轄，后為西京道豐州北境。
金后，屬西京路凈州轄。
大定十八年（1178年），置凈州天山縣，轄今武川縣地。
明朝時，縣地為西土默特牧場。
清初，屬歸化廳土默特及喀爾喀右翼旗。
康熙、乾隆年間，今縣城初名克克伊爾根（正音為呼和額日格），后漸演變?yōu)榭煽梢粤Ω?/p>
清光緒二十九年（1903年），置武川廳，為口外十二廳之一，屬山西布政使歸綏兵備道，稱武川直隸廳，設(shè)撫民同知，加理事銜。
原擬在翁袞城設(shè)治，因地偏遠(yuǎn)，寄治于歸化城。
民國元年（1912年），改廳為縣，置縣時，縣境總面積兩萬多平方千米，包括今之烏蘭花、大灘、旗下營等地。
中華人民共和國成立后，區(qū)劃逐步演變?yōu)楝F(xiàn)境。
民國三年（1914年），綏遠(yuǎn)與山西分治后，武川縣隸屬綏遠(yuǎn)特別行政區(qū)。
民國四年（1915年），縣府由歸化城遷到可鎮(zhèn)。
民國十七年（1928年），綏遠(yuǎn)特別行政區(qū)改為綏遠(yuǎn)省，武川縣隸屬于綏遠(yuǎn)省。
民國二十六年（1937年）10月，日偽蒙古軍進(jìn)占縣城，同年11月14日，成立偽縣公署，屬巴彥塔拉盟轄，為二等縣。
同年，國民黨縣政府隨綏遠(yuǎn)民眾抗日自衛(wèi)軍進(jìn)駐縣內(nèi)山區(qū)廟溝一帶。
民國二十七年（1938年）9月，八路軍挺進(jìn)大青山，民國二十八年（1939年），將武川縣一分為四，即歸武縣、武歸縣、武川縣、武固縣。
抗戰(zhàn)期間，共產(chǎn)黨與國民黨在本縣均存游擊縣政府，隨軍轉(zhuǎn)移。
民國三十四年（1945年）8月，日本投降后，武川縣恢復(fù)抗戰(zhàn)前轄地，屬綏北行政區(qū)。
1949年9月19日，武川縣隨綏遠(yuǎn)省和平起義獲得解放，屬綏遠(yuǎn)省薩拉齊專區(qū)。
1954年10月，屬集寧專區(qū)。
1956年8月，屬平地泉行政區(qū)。
1958年3月至1996年1月，屬烏蘭察布盟。
1996年1月至今，屬呼和浩特市管轄。