西汉置彭阳、安武、临泾、抚夷县，隋置湫谷县，后改临泾县。唐武德二年（619）析置丰义县，北宋初改丰义县为彭阳县，属原州。元初改原州为镇原州，至元七年（1270）省临泾、彭阳县入镇原州。明改州为县，沿用州名。
1996年，镇原县面积3500平方千米，人口47.7万人。辖5个镇、19个乡：城关镇、屯字镇、孟坝镇、三岔镇、平泉镇、临泾乡、南川乡、曙光乡、上肖乡、彭阳乡、太平乡、王寨乡、新集乡、方山乡、殷家城乡、马渠乡、庙渠乡、开边乡、武沟乡、郭塬乡、湫池乡、中原乡、新城乡、小岘乡。县政府驻城关镇。
2000年第五次人口普查，镇原县常住总人口491696人，其中，城关镇40054人，屯字镇27366人，盂坝镇38346人，三岔镇17543人，平泉镇30909人，临泾乡35140人，南川乡21360人，曙光乡18595人，上肖乡32321人，彭阳乡9730人，太平乡26254人，王寨乡9125人，新集乡11423人，方山乡13330人，殷家城乡7474人，马渠乡14424人，庙渠乡18587人，开边乡22100人，武沟乡12909人，郭塬乡17015人，湫池乡13395人，中原乡20515人，新城乡25451人，小岘乡8330人。
？年，镇原县辖7个镇、17个乡：城关镇、屯字镇、孟坝镇、三岔镇、平泉镇、开边镇、太平镇、临泾乡、南川乡、曙光乡、上肖乡、彭阳乡、王寨乡、新集乡、方山乡、殷家城乡、马渠乡、庙渠乡、武沟乡、郭塬乡、湫池乡、中原乡、新城乡、小岘乡。
2008年末，全县面积3500平方千米。辖7个镇、12个乡：城关镇、屯字镇、孟坝镇、三岔镇、平泉镇、开边镇、太平镇、临泾乡、南川乡、上肖乡、新集乡、方山乡、殷家城乡、马渠乡、庙渠乡、武沟乡、郭塬乡、中原乡、新城乡，共有215个行政村，1991个村民小组。农村人口10.87万户49.29万人。
2010年第六次人口普查，镇原县常住总人口415727人，其中，城关镇46074人，屯字镇37179人，孟坝镇31991人，三岔镇16684人，平泉镇34870人，开边镇17713人，太平镇24851人，临泾乡25617人，南川乡15740人，上肖乡26686人，新集乡17240人，方山乡11762人，殷家城乡6418人，马渠乡12333人，庙渠乡15373人，武沟乡12031人，郭原乡13129人，中原乡16926人，新城乡33110人。
2014年，省民政厅（甘民复〔2014〕143号）批复同意撤销临泾乡，设立临泾镇。2015年，省民政厅（甘民复〔2015〕155号）批复同意撤销新城乡，设立新城镇。