椐史料记载，今延安市境，夏属雍州，商属鬼方，西周为犬戎与猃狁领土。春秋时为白翟部族所居。战国初期，中部和北部属魏，南部属秦，后全部为秦。秦统一六国（前221）后，本境属上郡。北魏在今市境南部设北华州和中部、敷城、义州、乐州4郡，北部设东夏州和遍城、定阳、上郡、朔方4郡，以及夏州的金明郡。西魏始设延州、敷州、丹州。
隋开皇三年（583），撤遍城、文安、中部、敷城、丹阳、乐州、金明7郡，仍设延州、敷州、丹州。大业三年（607），废州制，设上郡和延安郡。隋义宁元年（617），增设丹阳郡。唐属关内道。武德元年（618），撤上郡、延安、丹阳3郡，设鄜州、延州、丹州。武德二年（619）增设坊州。天宝元年（742）废州制，设延安、洛交、中部、咸宁4郡。乾元元年（758）又废郡制，复设延州、丹州、坊州、鄜州。
宋属永兴军路，仍设延州、鄜州、坊州、丹州。宋初，西北部被西夏占据。收复后，设保安、定边2军。庆历元年（1041），设鄜延路。元佑四年（1089）延州升延安府。金仍设鄜延路，初辖延安府、鄜州、坊州、丹州、绥德州（辖地在今榆林市）及保安、定边2军。皇统六年（1146），撤定边军。大定十一年（1171），降保安军为保安县。大定二十二年（1182），升保安县为保安州。
元置延安路，领鄜州、葭州、绥德州（后2州在今榆林市区）。明洪武二年（1369）五月，延安路改设延安府。清雍正三年（1725年），鄜州升直隶州。本区有两个省辖行政建置延安府和鄜州。民国2年（1913），撤府、州，属县改隶榆林道。民国9年（1920），道治迁置肤施城。民国17年（1928），废道，诸县由省直辖。民国24年（1935）9月，国民政府在洛川设陕西省第三行政督察区。
民国23年（1934年）建立陕甘边和陕北两个苏区。1935年10月中央红军长征到达陕北后，11月于瓦窑堡成立中华苏维埃共和国临时中央政府驻西北办事处，陕甘边和陕北两个苏区改称陕甘省和陕北省。1936年5月合为陕甘宁省，西安事变爆发后（12月）改称中华民国特区。1937年1月中共中央进驻延安，9月6日成立陕甘宁边区政府（11月10日改称陕甘宁特区，1938年1月复称陕甘宁边区），并改延安县为市。
1942年7月，陕甘宁边区政府决定新建吴旗县，隶属三边分区；11月，设延属分区。1943年1月，成立延属分区行政督察专员公署，辖延安市和延安、子长、延川、延长、固临、甘泉、富县、志丹、安塞9县。1945年5月，陕甘宁边区政府迁往西安市；11月5月，改延属分区为陕北行政区。1948年1月，黄龙分区行政督察专员公署成立，辖洛川、黄陵、宜君、宜川、黄龙、澄城、韩城、合阳、白水、富平10县。
1950年5月改设陕西省延安分区，成立陕西省延安分区行政督察专员公署；10月，称延安专区，设陕西省人民政府延安专员公署，辖延安、延长、安塞、志丹、吴旗、甘泉、鄜县、洛川、宜川、黄陵、宜君、黄龙12县。1955年5月，改称延安专员公署，各县人民政府改称县人民委员会。1956年10月，绥德专区之延川、子长2县改属延安专区。延安专区辖延安、延长、延川、子长、安塞、志丹、吴旗、甘泉、鄜县、洛川、宜川、黄陵、宜君、黄龙14县。
1958年12月，撤销延川、安塞、甘泉、鄜县、宜君、黄龙、吴旗7县，辖地并入延长、延安、志丹、子长、宜川、洛川、黄陵7县。1961年9月，延川、安塞、甘泉、鄜县、宜君、黄龙、吴旗恢复县级建制。延安专区仍辖14县。1968年8月，成立延安专区革命委员会。1969年9月30日，改称延安地区革命委员会。1972年3月，成立县级延安市，与延安县分设；延安地区辖1市14县。
1975年8月，撤延安县，辖地并入延安市；延安地区领1市13县。1978年6月，延安地区革命委员会撤销，成立延安地区行政公署。1983年10月，宜君县划归铜川市；延安地区领延安市及延长、延川、子长、安塞、志丹、吴旗、甘泉、富县、洛川、宜川、黄龙、黄陵12县。
1996年11月5日，国务院批准（国函[1996]84号）：（1）撤销延安地区和县级延安市，设立地级延安市，市政府驻新设立的宝塔区。（2）延安市设立宝塔区，以原县级延安市的行政区域为宝塔区的行政区域。（3）延安市辖原延安地区的安塞县、黄陵县、延长县、志丹县、洛川县、延川县、甘泉县、黄龙县、子长县、富县、宜川县、吴旗县和新设立的宝塔区。全市共有3个街道、48个镇，146个乡，162个居委会、3416个行政村，463354户1903756人，其中非农业人口362332人。1997年1月8日，延安市人民政府正式挂牌成立。
2000年第五次人口普查，延安市常住总人口2016787人。其中：宝塔区403868人、延长县128551人、延川县164902人、子长县207972人、安塞县160771人、志丹县124449人、吴旗县112524人、甘泉县76705人、富县141760人、洛川县200573人、宜川县111685人、黄龙县49039人、黄陵县133988人。
2005年10月17日，民政部批准（民函[2005]278号）同意吴旗县更名为吴起县（驻地吴旗镇于2007年更名为吴起镇）。2007年末，全市常住人口213.49万人。
2010年第六次人口普查，延安市常住总人口2187009人，其中：宝塔区475234人，延长县125391人，延川县168375人，子长县216910人，安塞县171552人，志丹县140489人，吴起县145061人，甘泉县77188人，富县149727人，洛川县220684人，宜川县117203人，黄龙县49392人，黄陵县129803人。
2012年末，延安市面积37031.3平方千米，户籍人口2354094人，常住人口219.81万人。2013年末，延安市共有3个街道、91个镇、31个乡，106个社区、3380个行政村，市政府驻宝塔区。
2016年6月，《国务院关于同意陕西省调整延安市部分行政区划的批复》（国函〔2016〕104号）：同意撤销安塞县，设立延安市安塞区，以原安塞县的行政区域为安塞区的行政区域，安塞区人民政府驻真武洞街道真武街1号。【7月4日《陕西省人民政府关于同意延安市调整部分行政区划的批复》（陕政函〔2016〕126号）】