北周天和元年（566年）置北川县，因县西北有北川城而得名；一说汶川又称北川，因此得名。唐贞观八年析北川县地置石泉县，永徽二年（651年）并北川县入石泉县。1914年，因与陕西省石泉县同名，乃复名北川县。1935年中国工农红军第四方面军于境内建立两个县苏维埃政府，红军在千佛山与川军对峙72天，保证了红军西进道路畅通。1952年县政府驻地由治城迁曲山。
1996年，北川县面积2869平方千米，人口约15.8万人，其中羌、藏、回等少数民族8万人。辖3个镇、2个乡、11个民族乡，278个村：曲山镇、擂鼓镇、通口镇、香泉乡、桂溪乡、陈家坝羌族乡、都贯羌族乡、禹里羌族乡、漩坪羌族乡、白坭羌族乡、小坝羌族藏族乡、开坪羌族藏族乡、片口羌族藏族乡、坝底羌族藏族乡、白什羌族藏族乡、青片羌族藏族乡。县政府驻曲山镇。
2000年第五次人口普查，北川县常住总人口160301人，其中：曲山镇21513人，擂鼓镇18009人，通口镇7595人，香泉乡7845人，陈家坝羌族乡12879人，桂溪乡11644人，都贯羌族乡6598人，禹里羌族乡14186人，漩坪羌族乡9364人，白坭羌族乡4842人，小坝羌族藏族乡15652人，片口羌族乡6872人，开坪羌族藏族乡3875人，坝底羌族藏族乡11603人，白什羌族藏族乡3618人，青片羌族藏族乡4206人。
2003年7月6日，国务院（国函[2003]75号）批准撤同意销北川县，设立北川羌族自治县。2004年5月28日，四川省政府（川府民政[2004]19号）批复同意北川羌族自治县原禹里、漩坪、白坭、片口、墩上、马槽、陈家坝、贯岭、都坝9个羌族乡分别更名为禹里乡、漩坪乡、白坭乡、片口乡、墩上乡、马槽乡、陈家坝乡、贯岭乡、都坝乡，原小坝、开坪、坝底、白什、青片5个羌族藏族乡分别更名为小坝乡、开坪乡、坝底乡、白什乡、青片乡，原桃龙羌族藏族乡更名为桃龙藏族乡。
2004年末，北川羌族自治县辖曲山、擂鼓、通口3个镇和桂溪、香泉、贯岭、禹里、坝底、小坝、片口、白什、开坪、都坝、马槽、墩上、青片、漩坪、白坭、陈家坝、桃龙藏族17个乡（其中1个民族乡）。
2008年5月12日，北川县为汶川大地震中受灾最严重的区域之一，县城被夷为平地。5月22日，北川县政府在安县安昌镇天龙宾馆举行临时办事处挂牌仪式。11月初，国务院常务会议审查通过北川新县城选址，定于安昌镇以东大约2公里处。
2009年2月6日，民政部以民函[2009]41号文批复同意将安县的安昌镇、永安镇、黄土镇的常乐、红岩、顺义、红旗、温泉、东鱼6个村划归北川羌族自治县管辖，北川羌族自治县人民政府驻地由曲山镇迁至安昌镇。此次调整后，北川羌族自治县面积增加215平方千米、人口增加7.8万余人。
2009年5月20日，省政府（川府民政[2009]8号）批复同意曲山镇政府驻地由禹龙新街迁移至任家坪村；同年11月9日，省政府（川府民政[2009]15号）批复同意将安昌镇的常乐、红岩、顺义、红旗、温泉、东鱼6个村所属行政区域析出，设立永昌镇，永昌镇政府驻红旗村（2010年2月，永昌镇正式成立）。调整后，全县辖6个镇、17个乡（其中1个民族乡）：曲山镇、擂鼓镇、通口镇、永昌镇、安昌镇、永安镇、香泉乡、陈家坝乡、桂溪乡、贯岭乡、禹里乡、漩坪乡、白坭乡、小坝乡、片口乡、开坪乡、坝底乡、白什乡、青片乡、都坝乡、桃龙藏族乡、墩上乡、马槽乡。县政府驻永昌镇。
2010年第六次人口普查，北川羌族自治县常住总人口197108人，其中：曲山镇8745人，擂鼓镇15799人，通口镇4882人，永昌镇16885人，安昌镇47864人，永安镇19276人，香泉乡5619人，陈家坝乡10067人，桂溪乡9315人，贯岭乡2996人，禹里乡9633人，漩坪乡5173人，白坭乡3524人，小坝乡9226人，片口乡5686人，开坪乡2552人，坝底乡5629人，白什乡2694人，青片乡3234人，都坝乡2224人，桃龙藏族乡2575人，墩上乡1644人，马槽乡1866人。
2014年，省政府（川府民政[2014]14号）批复同意撤销禹里乡、桂溪乡，设立禹里镇、桂溪镇。调整后，全县辖8个镇、15个乡（其中1个民族乡）：曲山镇、擂鼓镇、通口镇、永昌镇、安昌镇、永安镇、禹里镇、桂溪镇、香泉乡、陈家坝乡、贯岭乡、漩坪乡、白坭乡、小坝乡、片口乡、开坪乡、坝底乡、白什乡、青片乡、都坝乡、桃龙藏族乡、墩上乡、马槽乡。