秦、汉时为高奴县地。西魏设安民县，又析安民县地在西部今文安驿置文安县及文安郡。隋开皇三年（583年）文安县改名延川县，以境内吐延水（今清涧河）为名；安民县改名吉万县，大业元年（605年）废入上县。据《元和郡县志》：“取吐延川（即县东秀延水）为名”。
唐武德二年（619年）在东部复设安民县并析延川县地增设修文、桑原二县，在西部析延川县地增设义门县，后废入延川、延水二县。北宋熙宁八年（1075年）延水县降为镇，辖地并入延川县，属延州，元祐四年（1089年）后属延安府。元属延安路。明、清属延安府。1914年属榆林道。1928年直属省。
1935年6月工农红军进入后，曾设赤光、延水两县，1937年撤销并入延川县。1950年5月属绥德分区。1956年10月改属延安专区。1958年12月撤销延川县，辖地并入延长县。1961年9月以原辖区复设延川县，属延安专区。1968年属延安地区。1996年属延安市。
1950年5月，全县设永坪、永胜、禹居、城市、延水、永远6区，永坪区辖贺家崖、贺家渠、永坪、石油沟、岔口5乡。永胜区辖寺村、田家川、贾家坪、太相寺、大张5乡。禹居区辖唐家村、马家湾、文安驿、驮家岔、刘坪店5乡。城市区辖贺家湾、高家屹台、城关、马家沟、滑河5乡。延水区辖眼岔寺、玉龙河、寺河、郭家崾崄、延水关5乡。永远区辖杨家圪台、阁连、岭上、土岗、阿占5乡。
1952年6月，永远区（六区）分为2个区，称六区、七区。1953年5月，全县辖7区40乡。1961年，全县设城关、永坪、马家河、南河、稍道河、土岗、拓家川、张家河、眼岔寺、文安驿、禹居、官庄、贺家湾、贾家坪、冯家坪15个公社。1964年增设永坪镇。1973年，永坪镇、永坪公社合并。1984年4月，设15个公社，345个生产大队，974个生产队。
1984年5月，15个公社改为15个乡；8月，城关、永平、张家河、文安驿乡改为镇建置，改城关乡为延川镇，增置高家屯乡；9月，拓家川乡更名为杨家圪台乡，增置黑龙关乡；12月，张家河镇更名为延水关镇。全县设延川、永坪、文安驿、延水关4镇及黑龙关（县城）、土岗、贺家湾、稍道河、南河（曹家圪）、马家河、冯家坪、眼岔寺、禹居、杨家圪台、贾家坪、关庄、高家屯（永坪）13乡。1988年全县共31351户，134225人。
1996年，延川县面积1941平方千米，人口40477户，164465人人。辖4镇13乡：延川镇、永坪镇、文安驿镇、延水关镇、高家屯乡、冯家坪乡、贾家坪乡、关庄乡、禹居乡、贺家湾乡、眼岔寺乡、南河乡、马家河乡、杨家圪台乡、稍道河乡、土岗乡、黑龙关乡，共有345个行政村、5个居委会。县政府驻延川镇。
1998年，杨家圪台乡改为杨家圪台镇，贾家坪乡改为贾家坪镇，禹居乡改为禹居镇，关庄乡改为关庄镇。调整后，延川县辖8个镇、9个乡。
2000年第五次人口普查，延川县常住总人口164902人，其中：延川镇26858人，永坪镇26634人，延水关镇10660人，文安驿镇5474人，杨家圪台镇5550人，贾家坪镇9800人，禹居镇9529人，关庄镇10440人，高家屯乡11980人，冯家坪乡6256人，贺家湾乡6194人，黑龙关乡5892人，南河乡3122人，马家河乡7257人，眼岔寺乡7433人，稍道河乡6369人，土岗乡5454人。
2001年，撤销黑龙关乡并入延川镇，撤销稍道河乡并入杨家圪台镇，撤销南河乡并入马家河乡。区划调整后，延川县辖8个镇、6个乡：延川镇、永坪镇、延水关镇、文安驿镇、杨家圪台镇、贾家坪镇、禹居镇、关庄镇、高家屯乡、冯家坪乡、贺家湾乡、马家河乡、眼岔寺乡、土岗乡。（346个行政村）
2010年第六次人口普查，延川县常住总人口168375人，其中：延川镇64454人，永坪镇34747人，延水关镇7557人，文安驿镇4178人，杨家圪台镇6909人，贾家坪镇5602人，禹居镇6897人，关庄镇7038人，高家屯乡9173人，冯家坪乡4070人，贺家湾乡3644人，马家河乡6774人，眼岔寺乡3944人，土岗乡3388人。
2011年，撤销冯家坪乡、高家屯乡并入永坪镇，撤销贺家湾乡、眼岔寺乡并入延川镇。调整后，延川县辖8个镇、2个乡：延川镇、永坪镇、延水关镇、文安驿镇、杨家圪台镇、贾家坪镇、禹居镇、关庄镇、马家河乡、土岗乡。
2012年末，延川县面积1986.5平方千米，户籍人口196709人，常住人口16.93万人。2013年末，延川县辖8个镇、2个乡，共有4个社区、346个行政村，县政府驻延川镇。
2015年，撤销延川镇，设立大禹街道；撤销禹居镇，并入文安驿镇；撤销马家河乡，将马家河乡的杜木塬、贺家河、木军沟、安家塬、坡石河、格奴山渠6个村划归文安驿镇，将贺家塬、上佛腰、下佛腰、梅家山、阳山河、瓦河、干家河、杜家河、滑河、普则塬10个村划归杨家圪坮镇，将李家河、庞家河、中塬、小园则、寺河、圪图河、李家迁、刘家、马家河、高家塬、郭家河、干北塬、王家河、贯头、牛木塬、古寺、玉龙河、王家塬、崾头、玉龙塬、陈家河21个村划归延水关镇，将南河、曹家圪崂2个村划归大禹街道；撤销土岗乡，设立乾坤湾镇；将杨家圪坮镇的李家疙瘩、沙地、古里、仙芸、上村、武家山、西塬、园则河、郭家塬、苏丰、闫家山、寺罗、冯家塬、丁家山、巨木塬、冯家山16个村划归乾坤湾镇。调整后，延川县辖1个街道、8个镇：大禹街道、永坪镇、延水关镇、文安驿镇、杨家圪台镇、贾家坪镇、禹居镇、关庄镇、乾坤湾镇。