秦代属西城县，汉代和三国时期属安阳县。东晋永和三年（347年）于王水口置长乐县，兼为晋昌郡治。南朝宋废长乐县，齐复设，梁移治东阳川（今城关镇）。北魏延昌三年（514年）改长乐县为永乐县；孝昌三年（527年）于县东南池河堡（今池河镇）分设直城县，兼为金城郡治。西魏改晋昌郡为魏昌郡，废帝元年（552年）改永乐县为石泉县，以县北（今县治南）有石泉，其水清冽，四时不涸得名。《读史方舆纪要》石泉县：“石泉在县治南，其水清冽，四时不竭，流入汉水。县因以名。”于县南梅湖街（今喜河街）分置魏宁县。后石泉县还治王水口。
北周废魏昌郡，安康县移治汉江南岸石泉嘴（今藕阳乡石泉嘴、汉阴县汉阳坪），并省直城县入安康县。保定三年（563年）石泉县治复迁东阳川，天和三年（568年）省魏宁县入石泉县。隋开皇初废忠诚郡、安康郡、金城郡及直城县。唐圣历元年（698年）改石泉县为武安县，神龙元年（705年）复名石泉县，至德二年（757年）改安康县为汉阴县。大历六年（771年）省石泉县入汉阴县，贞元元年（785年）复设石泉县，属金州。南宋绍兴二年（1132年）移汉阴县于今汉阴县。
元至元年间废石泉县，明洪武三年（1370年）复设石泉县至今。初属四川大宁州，五年仍属金州；嘉靖三十八年（1559年）属汉中府，万历十一年（1583年）属兴安州。清属兴安府。1914年属汉中道。1928年直属省。1949年11月30日解放，属安康分区。1950年属安康专区。1958年撤销汉阴、宁陕二县并入石泉县。1961年以原划入区域复设汉阴、宁陕二县，属安康专区。1969年属安康地区。2000年属安康市。
1995年，石泉县面积1525平方千米，人口约18.2万人。辖3镇26乡：城关镇、后柳镇、池河镇、长水乡、麦坪乡、喜河乡、藕阳乡、凤阳乡、长阳乡、合溪乡、中坝乡、饶峰乡、兴坪乡、两河乡、菩窑乡、古堰乡、银龙乡、银桥乡、石磨乡、长安坝乡、曾溪乡、左溪乡、后池乡、云川乡、红卫乡、青石乡、中池乡、松柏乡、前池乡。县政府驻城关镇。
1996年，撤销柳城区、饶峰区、迎丰区、池河区、后柳区、熨斗区等6个区公所建制；撤销古堰乡、石磨乡、长安坝乡并入城关镇，撤销前池乡、松柏乡并入池河镇，撤销饶峰乡、菩窑乡合并设立饶峰镇，撤销长水乡、麦坪乡合并设立熨斗镇，撤销喜河乡、藕阳乡合并设立喜河镇，撤销后池乡、云川乡合并设立迎丰镇，撤销两河乡设立两河镇，撤销青石乡并入中池乡，撤销合溪乡并入中坝乡，撤销凤阳乡并入长阳乡。调整后，石泉县辖8个镇、9个乡。
2000年第五次人口普查，石泉县常住总人口159503人，其中：城关镇43638人，饶峰镇11286人，两河镇6225人，迎丰镇7054人，池河镇19411人，后柳镇6872人，喜河镇8118人，熨斗镇11585人，曾溪乡4242人，左溪乡2022人，银龙乡5665人，银桥乡3691人，兴坪乡3366人，红卫乡4790人，中池乡10146人，中坝乡5114人，长阳乡6278人。
2001年，撤销兴坪乡并入两河镇，撤销左溪乡并入曾溪乡。调整后，石泉县辖8个镇、7个乡：城关镇、饶峰镇、两河镇、迎丰镇、池河镇、后柳镇、喜河镇、熨斗镇、曾溪乡、银龙乡、银桥乡、红卫乡、中池乡、中坝乡、长阳乡。2004年末，全县总人口182294人。
2010年第六次人口普查，石泉县常住总人口171097人，其中：城关镇53422人，饶峰镇10586人，两河镇8662人，迎丰镇6940人，池河镇19866人，后柳镇7222人，喜河镇8010人，熨斗镇12491人，曾溪乡5715人，银龙乡5507人，银桥乡3661人，红卫乡5015人，中池乡10985人，中坝乡5992人，长阳乡7023人。
2011年，撤销银龙乡并入城关镇，撤销中坝乡并入后柳镇，撤销长阳乡并入喜河镇，撤销银桥乡、红卫乡合并设立云雾山镇，撤销中池乡设立中池镇，撤销曾溪乡设立曾溪镇。调整后，石泉县辖11个镇：城关镇、饶峰镇、两河镇、迎丰镇、池河镇、后柳镇、喜河镇、熨斗镇、曾溪镇、云雾山镇、中池镇。
2012年末，石泉县面积1516.4平方千米，户籍人口181417人，常住人口17.14万人。2013年末，石泉县辖11个镇，共有18个社区、193个行政村，县政府驻城关镇。
2015年，全县撤并51个行政村，具体为：城关镇撤并7个村，饶峰镇撤并7个村，两河镇撤并4个村，池河镇撤并6个村，中池镇撤并4个村，迎丰镇撤并4个村，后柳镇撤并3个村，喜河镇撤并3个村，云雾山镇撤并5个村，曾溪镇撤并6个村，熨斗镇撤并2个村。调整后，全县辖11个镇，共有21个社区、140个行政村。