因城西有洞潭，故名。秦属长沙郡；汉武帝时期，属都梁候国、零陵郡、都梁县；三国时属昭陵郡武冈县；晋太康元年（280年）和唐武德四年（621年）两度置建兴县；隋开皇十年（590年），属邵阳县辖地；唐武德七年（624年）以后，直至民国，属武冈（军、路、府）州管辖。1952年2月16日，设立洞口县，因县治在洞口镇，故名。先后属邵阳专署（地区）、邵阳市管辖。
1996年，洞口县面积2199.38平方千米，人口约74.63万人。辖9个镇、13个乡（其中3个民族乡）：洞口镇、山门镇、石江镇、江口镇、竹市镇、高沙镇、黄桥镇、毓兰镇、醪田镇、大屋瑶族乡、水东乡、月溪乡、长塘瑶族乡、石柱乡、花园乡、花鼓乡、杨林乡、岩山乡、那溪瑶族乡、桐山乡、渣坪乡、鼓楼乡。县政府驻洞口镇。
2000年第五次人口普查，洞口县常住总人口752581人，其中，洞口镇77255人，江口镇11922人，毓兰镇47633人，高沙镇110238人，竹市镇74165人，石江镇80624人，黄桥镇82905人，山门镇48594人，醪田镇23556人，花古乡20691人，古楼乡5565人，长塘瑶族乡4895人，罗溪瑶族乡9925人，月溪乡14747人，渣坪乡7981人，花园乡30733人，岩山乡21152人，杨林乡21777人，水东乡18788人，石柱乡24381人，桐山乡10297人，大屋瑶族乡4757人。
2004年，洞口县辖10个镇、12个乡（其中3个民族乡）：洞口镇、江口镇、毓兰镇、高沙镇、竹市镇、石江镇、黄桥镇、山门镇、醪田镇、花园镇、花古乡、古楼乡、长塘瑶族乡、罗溪瑶族乡、月溪乡、渣坪乡、岩山乡、杨林乡、水东乡、石柱乡、桐山乡、大屋瑶族乡。
2010年第六次人口普查，洞口县常住总人口770473人，其中，洞口镇85479人，江口镇12001人，毓兰镇44593人，高沙镇106099人，竹市镇74538人，石江镇80854人，黄桥镇86548人，山门镇51992人，醪田镇24180人，花园镇30883人，花古乡21436人，古楼乡5719人，长塘瑶族乡4663人，罗溪瑶族乡9704人，月溪乡14961人，渣坪乡7664人，岩山乡23014人，杨林乡22002人，水东乡19491人，石柱乡25552人，桐山乡9679人，大屋瑶族乡4607人，邵阳市茶铺茶场4814人。
2014年，省民政厅（湘民行发[2014]1号）批复同意：撤销岩山乡，设立岩山镇；撤销水东乡，设立水东镇。调整后，全县辖12个镇、10个乡（其中3个民族乡）：洞口镇、江口镇、毓兰镇、高沙镇、竹市镇、石江镇、黄桥镇、山门镇、醪田镇、花园镇、岩山镇、水东镇、花古乡、古楼乡、长塘瑶族乡、罗溪瑶族乡、月溪乡、渣坪乡、杨林乡、石柱乡、桐山乡、大屋瑶族乡。