县境隋时属突厥，唐时属唐，先后归云中都督府、单于大都护府及安北都护府辖。神册元年（916年）入辽，属西南招讨司辖，后为西京道丰州北境。金时属西京路净州。大定十八年（1178年），置净州天山县，辖今武川县地。明朝时，县地为西土默特牧场。清初，属归化厅土默特及喀尔喀右翼旗。光绪二十九年（1903年）置武川直隶厅，为口外十二厅之一，属山西布政使归绥兵备道，设抚民同知，加理事衔。原拟在翁衮城设治，因地偏远，寄治于归化城。今县城初名克克伊尔根（正音为呼和额日格），后渐演变为可可以力更。
民国元年（1912年），改厅为县，置县时县境总面积两万多平方千米，包括今之乌兰花、大滩、旗下营等地。民国三年，隶属绥远特别行政区。民国四年，县府由归化城迁到可镇。民国十七年，隶属于绥远省。民国廿六年10月，日伪蒙古军进占县城，11月14日成立伪县公署，属巴彦塔拉盟辖，为二等县。同年，国民党县政府随绥远民众抗日自卫军进驻县内山区庙沟一带。
1938年9月，八路军挺进大青山，1939年将武川县一分为四，即归武县、武归县、武川县、武固县。抗战期间，共产党与国民党在本县均存游击县政府，随军转移。1945年8月日本投降后，武川县恢复抗战前辖地，属绥北行政区。1949年9月19日，武川县解放，属绥远省萨拉齐专区。1954年10月，属集宁专区。1956年8月，属平地泉行政区。1958年3月，属乌兰察布盟。1996年1月至今，属呼和浩特市管辖。
1996年?，武川县面积4885平方千米，人口17万人，其中蒙古族0.3万人，汉族居多数。辖可可以力更镇、庙沟乡、哈拉合少乡、哈拉门独乡、西红山子乡、西乌兰不浪乡、二份子乡、东红胜乡、中后河乡、纳令沟乡、蘑菇窑乡、东土城乡、上秃亥乡、厂汉木台乡、壕赖山乡、哈乐乡、大蓝旗乡、大豆铺乡、大青山乡、安字号乡等1镇19乡。县政府驻可可以力更镇。
2000年第五次人口普查，武川县总人口157530人，其中：可可以力更镇35201人，大青山乡6398人，哈乐乡8147人，大豆铺乡6424人，大兰旗乡3361人，壕赖山乡8996人，厂汉木台乡8837人，上秃亥乡6659人，安字号乡10506人，东土城乡9649人，蘑菇窑乡2247人，纳令沟乡3568人，西乌兰不浪乡8756人，中后河乡7363人，二份子乡5876人，东红胜乡5455人，西红山子乡7199人，哈拉合少乡5573人，哈拉门独乡4068人，庙沟乡3247人。
2001年4月，撤销安字号乡，并入可可以力更镇，大兰旗乡并入哈乐乡，蘑菇窑乡并入纳令沟乡，庙沟乡并入哈拉合少乡。调整后，全县辖1个镇、15个乡：可可以力更镇、大青山乡、哈乐乡、大豆铺乡、耗赖山乡、厂汉木台乡、上秃亥乡、东土城乡、纳令沟乡、中后河乡、西乌兰不浪乡、东红胜乡、二份子乡、西红山子乡、哈乐合少乡、哈拉门独乡。2002年，撤销西乌兰不浪乡，设立西乌兰不浪镇；撤销哈乐乡，设立哈乐镇，并将原大兰旗乡的6个行政村（后合并为3个）划归哈乐镇管辖。
2001－2002年撤乡并镇后，由原来的19个乡1个镇，123个村委会，964个自然村调整为13个乡、3个镇，93个村委会，964个自然村。即：可可以力更镇、哈乐镇、西乌兰不浪镇、大青山乡、大豆铺乡、耗赖山乡、厂汉木台乡、上秃亥乡、东土城乡、纳令沟乡、中后河乡、东红胜乡、二份子乡、西红山子乡、哈拉合少乡、哈拉门独乡。
2004年末，全县总人口约17.1万人，其中城镇人口近4万人。有汉、蒙、回等19个民族，其中汉族人口约16.63万人，蒙古族3613人。
2006年，撤销大豆铺乡、耗赖山乡，并入哈乐镇；撤销中后河乡，并入西乌兰不浪镇；撤销东红胜乡、西红山子乡，并入二份子乡；撤销哈拉门独乡，并入哈拉合少乡；撤销东土城乡、厂汉木台乡，并入上秃亥乡；纳令沟乡更名为德胜沟乡。
2006年，武川县面积4885平方千米，总人口17.1万人，其中农业人口14.1万人；蒙古族占1.8%，汉族占98%。辖3个镇、5个乡：可可以力更镇、哈乐镇、西乌兰不浪镇、大青山乡、上秃亥乡、二份子乡、哈拉合少乡、得胜沟乡。共有93个行政村，964个自然村。
2012年?，将哈乐镇的耗赖山等10村划出设立耗赖山乡。