辽置乌州爱民县，治今双辽境内西部，后废。清初系内蒙古哲里木盟科尔沁部左翼中旗、后旗达尔汗王及勒葛合亲王的游牧处所。同治元年（1862年），温都尔（郡）王先后将荒地放垦，户口、村落日渐增多。同治五年（1866年）属昌图厅，光绪三年（1877年）属昌图府。
光绪六年（1880）设郑家屯分防主簿，属昌图府康平县。光绪二十八年（1902）析康平县、奉化县(今梨树县）部分地区置辽源州，治所郑家屯，属昌图府。宣统元年（1909）辽源州属洮昌道；设双山安垦局。1913年辽源州改为辽源县，同年（一说1914年）置双山县（治所双山镇）。1940年双山、辽源两县合并，各取其县名首字，称双辽县，属奉天省。1941年属四平省。
1945年9月下旬，中共中央东北局筹建辽北省，11月3日，辽北省正式成立。双辽县民主政府成立。驻郑家屯镇。隶属于辽北省辽源行政督察专员公署，专署亦驻郑家屯。1946年6月，划归辽吉区第二专区。1947年5月，双辽县获得解放；10月，划归辽北省二专区。1948年10月，划归为辽北省直辖县。1949年1月，双辽县人民政府成立；5月辽北、辽西合并，双辽县归辽西省管辖。
1954年7月，东北行政委员会[东办字1336号]关于贯彻中央人民政府《关于撤销大区一级行政机构和合并若干省市建制的决定》的实施方案确定，从原辽西省将双辽县划归吉林省直辖。1955年2月，辽县人民政府更名为双辽县人民委员会。1956年7月3日，双辽县由吉林省直辖县划归白城专区管辖。1958年10月23日，划归新设立的四平专区（1971年改为四平地区）管辖。1968年，撤销双辽县人民委员会，成立双辽县革命委员会。
1980年撤销双辽县革命委员会，成立双辽县人民政府。1983年，撤销四平地区，设立四平市（地级），双辽归四平市管辖。1996年5月20日，民政部（民行批[1996]32号文件）批复，经国务院批准，同意撤销双辽县，设立双辽市（县级）。以原双辽县的行政区域为双辽市的行政区域。同年6月7日，吉林省政府（吉政函[1996]63号）文件通知双辽市设立后由四平市代管。
1945年10月，组建辽源、双山两个县：辽源县设城关（郑家屯）、金宝、张家、高家炉、雁翎、卧虎、茂林7个区；双山县设城关（双山）、新立、安边、服先、孔家、丰宝6个区。1945年12月6日，中共中央东北局西满分局决定将辽源县的城关区（郑家屯）划出来成立了辽源市，下设七个区（第一至第七）。1946年3月西满分局向北转移，同时撤销辽源市；5月，辽源、双山两县的党、政、军机关战略北移；5月23日国民党军占领了郑家屯和双山县城，不久占领了辽源、双山两县的大部分地区。
1947年5月24日，双山、辽源两县先后彻底解放（第二次解放），成立了双辽县。设12个区：城关区、张家区、高家炉区（后改高金区）、雁翎区、新立区、双山区、敖卜区、卧虎区、安边区、孔家窑区、服先区、茂林区、含6个街、189个村。1948年9月建立区、村政权组织。
1950年初，将12个区调整为9个区：一区（郑家屯）、二区（张家）、三区（高家炉）、四区（柳条）、五区（双山）、六区（先驻安边后驻望杏）、七区（服先）、八区（茂林）、九区（卧虎），含6个街、122个村。1955年合作化时，全县组建568个初级农业生产合作社；1956年改为124个高级农业生产合作社，少数乡实现了一乡一社。
1956年1月，将原一区（郑家屯）改为郑家屯镇，3月撤销了原二、三、四、六、八、九6个区，保留了双山（五区）、服先（七区）两个区。成立了37个乡（小区）和两个乡级镇。37个乡、镇是：通德、柳条、山丁、新立、三合、石头山、山玻璃、秀水、安仁、永加、合作、桂花、勤民、服先、耕耘、新甸、兴隆、建设、吉兴、前进、城乡、公安、玻璃山、那木斯、太平、红旗、三江、王奔、桑树、三巨、新发、永兴、靠山、二龙山、卧虎、土山、佐岭乡和双山、茂林两个乡级镇。1956年6月，茂林镇划归长岭县管辖。
1958年9月，组建郑家屯、王奔、双山、卧虎、服先5个公社（大社），实行政社合一体制，管辖41个管理区，95个生产大队，575个生产队，共有34922户、173315人。1961年1月，茂林镇重新划归双辽县管辖，成立茂林公社。1961年3月，将全县6个公社划分为郑家屯、建设、王奔、太平、红旗、柳条、双山、永加、秀水、服先、兴隆、向阳、茂林、桂花、卧虎15个公社，管辖129个生产大队，704个生产队。1962年4月，郑家屯公社改为郑家屯镇。
1963年3月，新设立那木斯、新立、玻璃山3个公社；全县共有公社17个，镇3个（郑家屯、双山、茂林），其中双山、茂林2镇为公社辖镇。1966年撤销双山镇，1967年撤销茂林镇。1968年1月，全县辖1个镇、16个公社、153个生产大队。1978年2月恢复茂林镇。1980年初，全县辖2个镇、17个公社、2个场，176个生产大队，995个生产小队。1982年恢复双山镇。1984年将公社改为乡、镇。1984年11月，将卧虎乡、服先乡改为镇建置。
1985年12月，全县辖5个镇、15个乡：郑家屯镇、茂林镇、双山镇、卧虎镇、服先镇、双山乡、建设乡、那木斯蒙古族乡、红旗乡、王奔乡、新立乡、东明乡、柳条乡、永加乡、秀水乡、兴隆乡、茂林乡、向阳乡、桂花乡、玻璃山乡，共有177个村。境内还有四平市所属的三个国营企业单位：吉林省双辽种羊场（下设3个分场）、国营双辽农场（下设3个分场和农场畜牧场）和国营双山鸭场。
1988年9月，全县辖5个镇、14个乡，176个村。1992年11月21日，撤销王奔乡、红旗乡，设立王奔镇、红旗镇（12月24日双政发[1992]81号《关于将王奔乡、红旗乡改为镇建制的通知》）。1995年7月18日，经吉林省政府批准，撤销玻璃山乡、兴隆乡，设立玻璃山镇、兴隆镇。（双政发[1995]28号《关于玻璃山乡、兴隆乡撤乡设镇的通知》）
1995年12月，双辽县辖9个镇、9个乡、1个民族乡：郑家屯镇、茂林镇、双山镇、卧虎镇、服先镇、红旗镇、王奔镇、玻璃山镇、兴隆镇、建设乡、茂林乡、柳条乡、东明乡、秀水乡、桂花乡、新立乡、那木斯蒙古族乡、向阳乡、永加乡。共有98个居委会、182个村委会。
1996年，吉林省民政厅《关于撤销郑家屯镇设立郑家屯等五个街道办事处的批复》（吉民行[1996]6号）同意撤销郑家屯镇，设立郑家屯、辽西、辽北、辽南、辽东5个街道办事处。同年将红旗镇的丰巨村、勃山村、金良村，卧虎镇的山场村，划入双辽市城区（10月31日批复）。1997年，撤销东明乡，设立东明镇（2月21日吉民行批[1997]1号）。1999年12月，双辽市辖5个街道、9个镇、9个乡，190个村。
2000年，撤销茂林乡、桂花乡，将其所辖行政区域划归茂林镇管辖；撤销秀水乡，将其所辖行政区域划归双山镇管辖；撤销建设乡，将其所辖行政区域和辽西街道管辖的巨丰村、辽南街道管辖张家村的张家屯划归那木斯蒙古族乡管辖（吉民行批[2000]5、8、9号）。至此，双辽市辖5个街道、9个镇、5个乡。
2000年第五次人口普查，全市总人口404499人，其中：郑家屯街道35194人、辽东街道12056人、辽西街道22512人、辽南街道32022人、辽北街道21148人、茂林镇42549人、双山镇41482人、卧虎镇27038人、服先镇15935人、红旗镇10155人、王奔镇22887人、玻璃山镇18057人、兴隆镇12984人、东明镇17300人、那木乡20002人、柳条乡15897人、新立乡14885人、永加乡11465人、向阳乡10931人。
2003年，双辽市面积3121.2平方千米，人口40万人。辖5个街道、9个镇、5个乡：郑家屯街道、辽东街道、辽南街道、辽西街道、辽北街道、茂林镇、双山镇、卧虎镇、服先镇、红旗镇、王奔镇、玻璃山镇、兴隆镇、东明镇、柳条乡、新立乡、那木斯蒙古族乡、向阳乡、永加乡，共有189个行政村。
2005年，撤销向阳乡，将其所辖行政区域划归服先镇管辖；撤销红旗镇，设立红旗街道，将原红旗镇所辖行政区域划归红旗街道管辖。
2006年1月，双辽市辖6个街道、8个镇、4个乡：郑家屯街道、辽西街道、辽北街道、辽南街道、辽东街道、红旗街道、茂林镇、双山镇、卧虎镇、王奔镇、兴隆镇、东明镇、玻璃山镇、服先镇、柳条乡、新立乡、永加乡、那木斯蒙古族乡。共有29个社区（其中城镇社区22个）、190个行政村。
2007年末，双辽市总人口389461人。2010年第六次人口普查，全市总人口420865人。