因境内有玛纳斯河，经北沙窝边缘，蛇转流过，形成沙多湾多的地貌和景观，故而得名。又名三道河子。 因河湾多沙，故名。1957年沙湾县驻地迁三道河子。1976年由塔城地区划归石河子地区管辖。
1915年置沙湾县，系由绥来县（玛纳斯）析出，县治设在小拐（现克拉玛依市小拐乡），隶属迪化道。1917年改隶塔城道。1929年县驻地南迁至沙湾庄（今老沙湾镇驻地），先后隶属塔城行政区、塔城专区。1956年迁至三道河子镇，1975年至1977年曾隶属石河子地区。1978年再划归塔城地区管辖。
1996年，沙湾县辖7个镇、5个乡：三道河子镇、安集海镇、四道河子镇、老沙湾镇、东湾镇、乌兰乌苏镇、西戈壁镇、大泉乡、金沟河乡、博尔通古乡、柳毛湾乡、商户地乡。县政府驻三道河子镇。境内驻有沙湾林场，农八师、工一师和玛纳斯河管理处。
2000年第五次人口普查，沙湾县常住总人口188715人，其中：三道河子镇47023人、四道河子镇16295人、老沙湾镇12993人、乌兰乌苏镇17632人、安集海镇17214人、东湾镇10709人、西戈壁镇9798人、柳毛湾镇7809人、商户地乡7629人、大泉乡12974人、金沟河乡13298人、博尔通古乡8095人、牛圈子牧场3115人、博尔通古牧场3145人、良种场986人。
2003年，沙湾县总面积12460.24平方千米，总人口201845人，辖9镇、3乡：三道河子镇、安集海镇、乌兰乌苏镇、四道河子镇、东湾镇、西戈壁镇、老沙湾镇、金沟河镇、柳毛湾镇；大泉乡、博尔通古乡、商户地乡。县政府驻三道河子镇。
2010年第六次人口普查，沙湾县常住总人口365196人，其中：三道河子镇60129人，四道河子镇13877人，老沙湾镇10746人，乌兰乌苏镇14396人，安集海镇15716人，东湾镇10059人，西戈壁镇9340人，柳毛湾镇7385人，金沟河镇12154人，商户地乡18944人，大泉乡13075人，博尔通古乡8321人，牛圈子牧场2526人，博尔通古牧场3277人，良种场1100人，兵团一二一团38320人，兵团一三三团19919人，兵团一三四团18801人，兵团一四一团10023人，兵团一四二团27588人，兵团一四三团37902人，兵团一四四团11598人。