肇源县名源于驻地名称。原为肇州县址，伪肇州县公署移驻“老城基”后，1935年伪郭尔罗斯后旗公署与地方士绅商议，取两肇（肇州、肇东）之本源含义，将此地定名为“肇源”。唐代分属黑水都督府和室韦都督府管辖，辽属东京道，金属上京会宁府。1130年（金天会八年），在出河店（今茂兴镇南“昂喇勒”古城）设置肇州。元属辽阳行省开元路，隶属肇州屯田万户府管辖。明属奴儿干都司，后为郭尔罗斯部游牧地。
清初，1648年（顺治五年），设郭尔罗斯后旗，隶属哲里木盟。旗公府驻公营子（今肇源县茂兴镇西）。清末，1904年10月14日（光绪三十年九月初六日），设立北郭尔罗斯荒务行局，办理荒务。翌年10月5日（光绪三十一年九月初七日），于察布奇尔台（今肇源县二站镇）设立郭尔罗斯后旗巡防局。1906年2月（清光绪三十二年正月），设置肇州厅，驻“骆驼脖子”（今肇源镇）。自此旗县分治。翌年3月（光绪三十三年二月），裁撤郭尔罗斯后旗巡防局。
中华民国成立后，郭尔罗斯后旗隶属黑龙江省管辖。东北沦陷后，1934年8月，肇州县城（今肇源镇）被洪水冲毁，伪肇州县公署迁驻老城基（今肇州镇）。同年12月，郭尔罗斯后旗改隶滨江省。1935年8月27日，伪郭尔罗斯后旗公署由老爷屯（今肇东市四站镇东兴村）迁至肇源（即肇州旧县城，今肇源镇）。同年9月，将肇东县第三区的大部分地区划归郭尔罗斯后旗管辖。
1945年“九三”抗日战争胜利后，初隶哈西专区，1946年3月划归吉江行政区。同年4月，将八里、四兴（今四站镇）、向阳、三星、同仁村划归新设置的乐安县管辖；6月划归嫩江省管辖。1947年2月至9月，由黑嫩联合省第四专区管辖。黑嫩联合省分开后，仍归嫩江省管辖。1949年5月，黑嫩两省合并后，归黑龙江省直辖。1956年4月11日，国务院批准，撤销郭尔罗斯后旗，改设肇源县，县政府驻肇源镇。1958年8月，划归松花江专区管辖。1965年6月，由绥化专区管辖。1992年8月21日，国务院批准，划归大庆市领导。省政府于9月26日下发通知，从12月1日起变更隶属关系。
1992年末，肇源县位于黑龙江省西南部，松嫩两江左岸。县境呈带状沿江延伸，东西长143千米，南北最宽处45千米。北与杜尔伯特蒙古族自治县、大庆市、肇州县接壤，东与肇东市、双城市为邻，南、西以松花江和嫩江为界与吉林省松原市、前郭尔罗斯蒙古族自治县、大安市、镇赉县隔江相望。全县总面积4072.8平方千米。总人口44.1万人，其中非农业人口8.8万人；蒙古、满、回族等少数民族人口2万人。辖20个乡镇，其中蒙古族占有相当比例的民族乡3个。县政府驻地肇源镇。（以上摘自《黑龙江省志·地名录》，有改动）
1996年，肇源县面积4072平方千米，人口44万人。辖7个镇、13个乡：肇源镇、新站镇、茂兴镇、二站镇、三站镇、头台镇、古龙镇、兴安乡、薄荷台乡、福兴乡、裕民乡、和平乡、大兴乡、富强乡、民意乡、古恰乡、永利乡、浩德蒙古族乡、义顺蒙古族乡、超等蒙古族乡。县政府驻肇源镇。
2000年第五次人口普查，肇源县总人口377388人，其中：肇源镇53589人，三站镇24009人，二站镇20952人，头台镇20835人，茂兴镇19330人，新站镇41427人，古龙镇20301人，福兴乡16388人，薄荷台乡16076人，裕民乡11406人，和平乡13130人，兴安乡27068人，永利乡11727人，古恰乡13802人，超等蒙古族乡13531人，民意乡14845人，大兴乡12081人，浩德蒙古族乡6910人，义顺蒙古族乡12979人，富强乡7002人。
2001年，撤销富强乡，并入古龙镇；撤销裕民乡，并入二站镇；撤销永利乡，并入古恰乡；撤销兴安乡，并入肇源镇。将204个行政村调整为135个。2001年底，肇源县辖7个镇、9个乡：肇源镇、新站镇、茂兴镇、二站镇、三站镇、头台镇、古龙镇，民意乡、古恰乡、大兴乡、福兴乡、和平乡、浩德蒙古族乡、义顺蒙古族乡、超等蒙古族乡、薄荷台乡。面积4120平方千米。