“勐海”系傣语，古名“勐咳（hai）”，意为丢失猎犬的平坝地方。傣族首领召孩征服土著民族后，改称“勐孩”，衍为“勐海”，意为勇敢的人住的平坝地方。“勐”意为“平坝”和“地区”。“海”一说意为“厉害”或“恶”，此说恐误。一说县内有湖，故名“海”。
汉代前，隶属昆明、嵩部落，是“西南夷”的一部分。西汉，隶属益州郡。东汉光和年间，划归永昌郡。唐南诏时，隶银生节度。宋代属景陇王国，宋淳熙七年(1180年)，境内设九勐土司地。元代属彻里路军民总管府。明属车里宣慰使司，明隆庆四年（1570年），宣慰使召应勐将辖区划为十二版纳，本县境内设四个版纳。清朝，沿袭明制。清顺治十八年（1661年），境内重置九勐土司地。民国元年（1912年），改设勐海、勐遮、勐混3个区。
民国二年（1913年），置第三区行政分局，属普思沿边行政总局。境内设勐遮、勐混（实驻勐海）两个区。民国十六年（1927年），改区设佛海县、南峤县、宁江设治局，属普洱道。1950年2月17日，境内解放，3月置佛海县，属宁洱专区。1953年置版纳勐海，属西双版纳傣族自治区（州），1958年改为勐海县，1959年勐遮县并入勐海县，属西双版纳自治州。（一说为：1929年设佛海县，1954年改版纳勐海，1960年改勐海县）
1996年，面积5511平方千米，人口约28.5万人，其中傣族占37.5%。辖2镇12乡：象山镇、打洛镇、勐海乡、勐遮乡、勐混乡、勐宋乡、勐往乡、勐阿拉祜族乡、勐满拉祜族哈尼族布朗族乡、勐冈哈尼族布朗族乡、格朗和哈尼族乡、西定哈尼族乡、巴达布朗族哈尼族乡、布朗山布朗族乡。县政府驻象山镇。
2000年第五次人口普查，勐海县常住总人口314068人，其中：象山镇31280人、打洛镇24897人、勐海乡24500人、勐宋乡21906人、勐阿乡24897人、勐往乡13701人、勐混乡27114人、格朗和乡15641人、布朗山乡18358人、勐遮乡60330人、勐满乡19862人、西定乡14137人、巴达乡9957人、勐冈乡7488人。
2001年，全县辖2个镇、5个乡、7个民族乡：象山镇、打洛镇、勐遮乡勐海乡、勐混乡、勐阿拉祜族镇、勐满拉祜族哈尼族布朗族镇、勐往乡、勐宋乡、西定哈尼族乡、格朗和哈尼族乡、巴达布朗族哈尼族乡、勐冈哈尼族布朗族乡、布朗山布朗族乡。
2002年3月18日，省政府（云政复[2002]15号）批准：撤销勐海县象山镇、勐海乡，设立勐海镇，镇政府驻原象山镇政府驻地。3月20日，省政府（云政复[2002]26号）批准：撤销勐海县勐冈哈尼族布朗族乡，将勐冈哈尼族布朗族乡曼令、南楞两个村委划归勐遮乡管辖，将曼冈、拉巴厅两个村委划归勐混乡管辖。7月23日，省政府批准：勐混乡撤乡设镇。8月12日，省政府批准：撤销勐遮乡、勐满拉祜族布朗族乡、勐阿拉祜族乡，分别设立勐遮镇、勐满镇和勐阿镇。
2003年末，勐海县辖6个镇、6个乡：打洛镇、勐海镇、勐混镇、勐遮镇、勐阿镇、勐满镇、勐往乡、勐宋乡、格朗和哈尼族乡、布朗山布朗族乡、西定哈尼族乡、巴达布朗族哈尼族乡。下设个85村民委员会、3个居民社区。全县总人口为29.61万人，其中非农业人口4.68万人，农业人口24.93万人；少数民族人口25.56万人，占总人口的86.32％。
2004年9月30日，省政府（云政复[2004]95号）批准：勐海县撤销西定哈尼族乡和巴达哈尼族布朗族乡，合并设立西定哈尼族布朗族乡。新设立的西定哈尼族布朗族乡管辖原来西定哈尼族乡和巴达哈尼布朗族乡的行政区域，隶属关系不变，乡政府驻原西定哈尼族乡政府驻地。
2006年，勐海县总面积5511平方千米。总人口32.73万人。辖6个镇、5个乡（其中3个民族乡）：勐海镇、打洛镇、勐混镇、勐遮镇、勐满镇、勐阿镇、勐宋乡、勐往乡、格朗和哈尼族乡、布朗山布朗族乡、西定哈尼族布朗族乡；黎明农场。共有4个居员会、85个行政村。县政府驻勐海镇。
2010年第六次人口普查，勐海县常住总人口331850人，其中：勐海镇70828人，打洛镇26770人，勐混镇30944人，勐遮镇63519人，勐满镇19450人，勐阿镇23531人，勐宋乡23015人，勐往乡14631人，格朗和乡15173人，布朗山乡20274人，西定乡23715人。