西汉置平舒县，属代郡，故治在今城关西5千米平水村；又置狋氏县，属代郡，故治在今城关西北30千米六棱山阴。新莽改平舒县为平葆县，改狋氏县为狋聚县。东汉初，两县复西汉旧名。晋废狋氏县，平舒县属燕，为匈奴降部所居。北魏改属上谷郡。东魏天平中年，平舒县曾寄治今北京市昌平县西。北齐废入灵丘县。
五代唐同光二年（924）析兴唐县地置广陵县（“陵”亦作“灵”），属蔚州，后废。辽统和十三年（995）复置广陵县，仍属蔚州。金改广灵县，属西京路。明、清属大同府。民国初年属雁门道，道废后直属省。1949年属察哈尔省。1952年复归山西省，属雁北专区。1958年废入浑源县。1960年复置，属晋北专区。1961年属雁北专区。1967年属雁北地区。1993年属大同市。
1996年，广灵县面积1280平方千米，人口约16万人。辖2个镇、12个乡：城关镇、南村镇、一斗泉乡、王洼乡、蕉山乡、加斗乡、张岔乡、邵家庄乡、宜兴乡、作疃乡、平城乡、梁庄乡、香炉台乡、望狐乡。县政府驻城关镇。
2000年第五次人口普查，广灵县常住总人口162548人，其中，城关镇37458人，南村镇21972人，一斗泉乡10316人，王洼乡4992人，蕉山乡15386人，加斗乡15725人，张岔乡983人，邵庄乡2230人，宜兴乡9936人，作疃乡14385人，平城乡6638人，梁庄乡11824人，香炉台乡3955人，望狐乡6748人。
2001年，城关镇更名为壶朱镇，划入王洼乡的王洼堡、王洼西庄、白家坟、赵庄、涧西5个村，作疃乡的张庄、田窑、榆林堡、尚疃4个村，平城乡的沙岭1个村，加斗乡的南汇1个村，宜兴乡的吴家地、集兴疃2个村；南村镇、香炉台乡合并设立南村镇；平城乡、作疃乡合并设立作疃乡；张岔乡、加斗乡合并设立加斗乡；蕉山乡和王洼乡的滴水崖、曹川、眷头3个村合并设立蕉山乡；邵家庄乡、宜兴乡合并设立宜兴乡。调整后，广灵县辖2个镇、7个乡：壶泉镇、南村镇、一斗泉乡、蕉山乡、加斗乡、宜兴乡、作疃乡、梁庄乡、望狐乡。共有184个行政村，234个自然村。县政府驻壶泉镇。
2010年第六次人口普查，广灵县常住总人口182613人，其中，壶泉镇66271人，南村镇25710人，一斗泉乡10549人，蕉山乡16999人，加斗乡16548人，宜兴乡11195人，作疃乡18663人，梁庄乡10767人，望狐乡5911人。
2015年末，广灵县辖2个镇、7个乡（合计9个），6个居委会、180个村委会（合计186个）。