西汉于今高潮乡旧州铺村置沔阳县，属汉中郡。清《嘉庆重修一统志》：沔阳故城“以在沔水之阳得名”。南朝宋于浕口城侨置华阳郡及华阳县，即今勉县西老城（武侯镇）。北魏正始中又析沔阳西部地于今县西老城东南置嶓冢县；三县均属华阳郡。隋开皇元年（581年）废沔阳县入嶓冢县；三年废华阳郡及华阳县。大业二年（606年）更嶓冢县为西县，属汉川郡。唐武德八年（625年）移治今西老城。北宋嘉祐年间同褒城县治迁今红庙乡褒城村。
蒙古宪宗八年（1258年）于今高潮乡旧州铺置铎水县；元至元二十年（1283年）沔州治迁铎水县，并省西县。明洪武三年（1370年）废铎水县，辖地归沔州直辖；四年州治迁西山谷口（今武侯镇）；七年降沔州为沔县，县以州名，州以水名（沔水为汉江古名），属汉中府。1914年属汉中道。1928年直属省。1935年沔县治迁菜园镇（即今址）。1949年属陕南行署区。1951年属南郑专区。1953年属汉中专区。1958年撤销褒城县，辖地分别划归沔县和汉中市。1964年因沔字生僻，改沔县为勉县，属汉中专区。1969年属汉中地区。1996年属汉中市。
1995年撤区并乡建镇，勉县由原辖8个区公所、4镇52乡，调整为17镇13乡：城关镇、何营乡、高潮乡及老城乡的继光村合并设勉阳镇，朱家河乡、方家坝乡、老城乡合并设武侯镇，周家山乡、弥驼寺乡合并设周家山镇，官沟乡、柳坝乡、祝家湾乡合并建同沟寺镇，杜寨乡、团庄乡合并设新街子镇，武侯墓乡、定军乡合并建定军山镇，天堰乡、温泉乡合并建温泉镇，杨庄乡、元墩乡合并建元墩镇，熊家坪乡、铜钱坝乡、新铺湾乡合并建新铺镇，长坝乡、小扁河乡合并设小砭河乡，段家坝乡并入老道寺镇，驿坝乡并入土关铺乡，夏家营乡并小河庙乡，艾叶口乡并入茶店镇，胡家渡乡并入镇川乡，唐家坝乡并入漆树坝乡，汪家河乡、庙坪乡并入长沟河乡，菜马河乡并入白云寺乡，八庙乡并入张家河乡，冷峪河乡并入金华庙乡，二沟乡并入茅坝乡；撤销长林乡、红庙乡、金泉乡、阜川乡、青羊驿乡，设立长林镇、褒城镇、金泉镇、阜川镇、青羊驿镇。
1996年，勉县面积2406平方千米，人口41万人，县政府驻勉阳镇。辖17镇13乡：勉阳镇、周家山镇、同沟寺镇、新街子镇、老道寺镇、定军山镇、温泉镇、元墩镇、新铺镇、茶店镇、武侯镇、黄沙镇、褒城镇、长林镇、金泉镇、阜川镇、青羊驿镇、漆树坝乡、小河庙乡、土关铺乡、小砭河乡、白云寺乡、长沟河乡、镇川乡、二道河乡、杨家山乡、火神庙乡、金华庙乡、茅坝乡、张家河乡。
2000年第五次人口普查，勉县常住总人口397131人，其中：勉阳镇71631人、黄沙镇10325人、同沟寺镇18329人、周家山镇20757人、褒城镇17636人、长林镇11056人、老道寺镇24425人、新街子镇21920人、金泉镇15440人、定军山镇28957人、温泉镇17899人、元墩镇14302人、阜川镇11620人、新铺镇17246人、青羊驿镇8608人、武侯镇13291人、茶店镇9813人、二道河乡2888人、镇川乡14602人、杨家山乡8594人、小河庙乡5974人、漆树坝乡5552人、土关铺乡8131人、小砭河乡5666人、长沟河乡2196人、白云寺乡2955人、火神庙乡1209人、张家河乡2188人、茅坝乡1807人、金华庙乡2114人。
？年，勉县辖30个乡镇，374个行政村，总人口41.56万人，其中城市人口7.27万人。
2001年，撤销杨家山乡并入定军山镇，撤销白云寺乡、火神庙乡并入长沟河乡，撤销金华庙乡、茅坝乡并入张家河乡。调整后，勉县辖17个镇、8个乡：勉阳镇、武侯镇、周家山镇、同沟寺镇、黄沙镇、新街子镇、老道寺镇、褒城镇、长林镇、金泉镇、定军山镇、温泉镇、元墩镇、阜川镇、新铺镇、青羊驿镇、茶店镇、二道河乡、镇川乡、小河庙乡、漆树坝乡、土关铺乡、小砭河乡、长沟河乡、张家河乡。
2010年第六次人口普查，勉县常住总人口388123人，其中：勉阳镇84606人，武侯镇18640人，周家山镇19237人，同沟寺镇16649人，黄沙镇9871人，新街子镇21531人，老道寺镇24166人，褒城镇11897人，长林镇9955人，金泉镇13363人，定军山镇35914人，温泉镇16128人，元墩镇12710人，阜川镇10145人，新铺镇15658人，青羊驿镇7823人，茶店镇9426人，二道河乡2221人，镇川乡15037人，小河庙乡5858人，漆树坝乡4913人，土关铺乡7101人，小砭河乡4951人，长沟河乡4985人，张家河乡5338人。
2011年，撤销黄沙镇并入周家山镇，撤销长林镇并入老道寺镇，撤销二道河乡并入新街子镇，撤销土关铺乡并入武侯镇，撤销小砭河乡并入茶店镇，撤销小河庙乡并入阜川镇；撤销镇川乡、漆树坝乡、张家河乡、长沟河乡乡的建制，相应设立镇的建制。调整后，勉县辖19个镇：勉阳镇、武侯镇、周家山镇、同沟寺镇、新街子镇、老道寺镇、褒城镇、金泉镇、定军山镇、温泉镇、元墩镇、阜川镇、新铺镇、青羊驿镇、茶店镇、镇川镇、长沟河镇、张家河镇、漆树坝镇。
2012年末，勉县面积2389.5平方千米，户籍人口426292人，常住人口38.8万人。2013年末，勉县辖19个镇，共有10个社区、233个行政村，县政府驻勉阳镇。
2015年，撤销勉阳镇，设立勉阳街道；撤销青羊驿镇，并入新铺镇；全县撤并59个行政村，保留174个行政村。调整后，勉县辖1个街道、17个镇，11个社区、174个行政村。