夏至汉初，先后为戎羌、月氏、匈奴等民族游牧之地。自汉武帝时归入西汉版图之后，以乌鞘岭为界，分属不同的郡县管辖。唐代后，逐步形成了以吐蕃为主体民族的多民族聚居地。明至清初实行千百户制度。清乾隆十八年（1537年）设庄浪茶马厅（或称庄浪茶马理番委员），管理今天祝36族、14寺院。
民国25年（1936年）以境内天堂寺和祝贡寺首字“天祝”为名，设置天祝乡，属永登县。1950年以永登县的天祝乡置天祝自治区（县级），1951年将古浪县之安远驿划入，1953年改称天祝藏族自治区，1955年将永登县的镇武、古城、赛什斯3乡，武威县之铧尖、南山2乡、永登县的泱翔乡划入，改为天祝藏族自治县。
1996年，天祝藏族自治县面积7150平方千米，人口22.3万人，其中藏族占24.2%。辖5个镇、16个乡、1个民族乡（土族乡）：华藏寺镇、安远镇、打柴沟镇、炭山岭镇、哈溪镇、天堂乡、朱岔土族乡、赛什斯乡、钱宝乡、石门乡、西大滩乡、东大滩乡、朵什乡、毛藏乡、旦马乡、祁连乡、大红沟乡、东坪乡、赛拉隆乡、抓喜秀龙乡、柏林乡、松山乡。县政府驻华藏寺镇。
2000年第五次人口普查，天祝藏族自治县常住总人口221347人，其中，华藏寺镇36139人，打柴沟镇15268人，安远镇10173人，炭山岭镇14341人，哈溪镇25921人，天堂乡7059人，朱岔乡4233人，赛什斯乡14880人，东坪乡4340人，石门乡9109人，赛拉隆乡301人，东大滩乡4152人，松山乡5660人，钱宝乡9313人，柏林乡1917人，抓喜秀龙乡4869人，西大滩乡12643人，朵什乡13123人，大红沟乡13859人，毛藏乡1347人，祁连乡7952人，旦马乡4748人。
2004年初，全县辖22乡镇（14乡、8镇），8社区、188村，755组。同年9月撤乡并镇，合并松山乡、钱宝镇，建松山镇，镇址设在原钱宝镇政府所在地；朱岔乡并入天堂乡；撤销柏林乡，将该乡的上石板沟村、上庙儿沟村、下庙儿沟村并入打柴沟镇，将该乡黄草村、上野雉沟村、韭菜沟村、柏林村、阳洼台村并入华藏寺镇。调整后，全县辖8个镇、11个乡：华藏寺镇、打柴沟镇、安远镇、炭山岭镇、哈溪镇、赛什斯镇、石门镇、松山镇、天堂乡、东坪乡、赛拉隆乡、东大滩乡、抓喜秀龙乡、西大滩乡、朵什乡、大红沟乡、毛藏乡、祁连乡、旦马乡。共有8社区、188村，755组。【注：根据2005年11月28日兰州市民政局《关于全市行政区划设置及管辖区域的通报》：天祝县的东坪、赛拉龙乡已经获批划归永登县，截至当日尚未正式移交永登县。目前2乡仍属天祝县。】
2008年末，全县7147平方千米，辖19个乡镇，176个行政村，790个村民小组，农业人口4.02万户17.34万人。2009年12月天堂乡撤乡设镇。全县现辖9个镇、10个乡。
2010年第六次人口普查，天祝藏族自治县常住总人口174793人，其中，华藏寺镇51603人，打柴沟镇12636人，安远镇7800人，炭山岭镇7151人，哈溪镇17836人，赛什斯镇9816人，石门镇6181人，松山镇7436人，天堂镇9622人，旦马乡2617人，东坪乡2956人，赛拉隆乡207人，东大滩乡1792人，抓喜秀龙乡3252人，西大滩乡7650人，朵什乡8643人，大红沟乡6673人，毛藏乡971人，祁连乡3890人，天祝煤电公司4178人，天祝建材厂1883人。
2015年，省民政厅（甘民复〔2015〕94号）批复同意撤销朵什乡，设立朵什镇。