石首市因“有石孤立”于城区江边、以石为首而得名。西晋太康五年（284年）置石首县。南北朝元嘉年中（约444年左右），废石首入华容。唐高祖武德四年（621年）复置石首县，属山南道江陵府。宋属荆湖北路江陵府；乾德三年（965年）于白旧巡院置建宁县，来属江陵府。熙宁六年（1073年）省入石首县为建宁镇（今石首市调关镇槎港山），元祐元年（1086年）仍置建宁县，崇宁五年（1106年）又废建宁分别入石首、华容。元属河南江北行省荆南府。至元十三年（1276年）升江陵路，天历二年（1329年）更名中兴路。明属湖广行省荆州府；清属湖北省荆州府。
民国元年（1912年），裁荆州府，石首属省直辖。1913年，湖北分道，石首属荆宜施鹤道。1914年，改为荆南道，石首属之。1915年，属荆宜道。1927年，又属省辖。1932年，属省第七行政督察区。1936年，改属省第四行政督察区。1949年属沔阳专区，1951年属荆州专区。1955年析县境西北部分地另置荆江县。1970年属荆州地区。1986年5月27日，国务院批准撤销石首县，设立石首市（县级）。1994年由荆沙市（1996年更名为荆州市）代管。
1950年12月20日，中南军政委员会批准将石首县的岳军乡、东南垸划归湖南省华容县；石首县的合安垸、彭邱垸、永合垸划归湖南省安乡县；湖南省安乡县的附化垸、猪曹垸、新成垸、河北垸、同仁垸等划归湖北省石首县、公安县；湖南省华容县的北面上津湖以南、杨家岭、五谷庙以北划归湖北省石首县。
1966年勘定湖南省华容县东山公社与湖北省石首县桃花山公社自望夫山至昂头山地区的行政区域界线；自昂头山顶东向沿溴沟（即昂头山和灵官庙之间的东向主要水沟）直下至路南口，以溪沟为界，沟以北属石首县，沟以南除石首桃花山林场抱鸡母窝生产组（现有房屋附近50亩）仍属石首外，其余均属华容县；自路南口经易家山至望夫山，以分水岭为界，分水岭以北属石首县，分水岭以南属华容县（韩家冲地区界线，由双方代表在进行勘测时，协商解决）（国务院1966年1月7日批准）。
1996年，石首市面积1427平方千米，人口约62万人。辖3个街道、9个镇、4个乡：笔架山街道、绣林街道、东方街道、新厂镇、横沟市镇、小河口镇、桃花山镇、调关镇、滑家垱镇、高基庙镇、南口镇、团山寺镇、人民大垸乡、焦山河乡、久合垸乡、茅草街乡。市政府驻绣林。
1997年，茅草街乡撤乡建镇，并更名为高陵镇。？年，撤销东方街道，设立东方镇。至此，石首市辖2个街道、11个镇、3个乡。
2000年第五次人口普查，石首市总人口602649人，其中：绣林街道71472人，笔架山街道49129人，新厂镇42332人，横沟市镇37831人，小河口镇31363人，桃花山镇23611人，调关镇45052人，东升镇37280人，东方镇17790人，高基庙镇40436人，南口镇28177人，高陵镇34580人，团山寺镇29760人，人民大垸乡53614人，焦山河乡23703人，久合垸乡25830人，天鹅洲经济开发区10689人。
2001年3月，笔架山街道与东方镇合并成立笔架山街道。2002年，大垸乡撤乡设镇。2004年，撤销焦山河乡，并入东升镇。2004年末，石首市总人口614106人，辖2个街道、11个镇、1个乡，26个居委会、284个村委会。
2005年末，石首市辖绣林、笔架山2个街道，新厂、横沟市、小河口、桃花山、调关、东升、高基庙、南口、高陵、团山寺、大垸11镇和久合垸乡。共有29个居委会、274个村委会。
2010年第六次人口普查，石首市常住总人口577022人，其中：绣林街道75395人，笔架山街道83068人，新厂镇36342人，横沟市镇36051人，大垸镇49320人，小河口镇27278人，桃花山镇21848人，调关镇38901人，东升镇53184人，高基庙镇35237人，南口镇27252人，高陵镇29776人，团山寺镇29045人，久合垸乡24708人，天鹅洲开发区9617人。