原名刘坝，相传汉留侯张良辟谷坝西紫柏山下，后人谐名留坝，后以名县。清乾隆三十年（1765年）正月分凤县和褒城二县地于今城关镇置留坝厅，属汉中府。1913年罢厅设留坝县。1914年属汉中道。1928年直属省。
1949年属陕南行署区。1951年属南郑专区。1953年属汉中专区。1958年撤销县制，辖地划归凤县和汉中市。1961年除榆林铺、碾子坝外，以原划入凤县的地域和汉中市的马道公社为辖区，复设留坝县，属汉中专区。1969年属汉中地区。1996年属汉中市。
1996年，东沟乡、鲜家坝乡并入马道镇，南河乡、姜窝子乡、铁佛殿乡合并设立武关驿镇，闸口石乡、庙台子乡合并设立留侯镇，柳川乡、柘梨园乡并入江口镇，狮子坝乡并入玉皇庙乡。
1997年末，全县面积1958.2平方千米。总户数12725户，总人口44995人，其中农业户9740户，农业人口38255人。辖5镇5乡：城关镇、马道镇、武关驿镇、留侯镇、江口镇、青桥驿乡、火烧店乡、石门乡、玉皇庙乡、桑园坝乡。（100个行政村）
2000年第五次人口普查，留坝县常住总人口46294人，其中：城关镇11065人、马道镇5381人、武关驿镇5727人、留侯镇3196人、江口镇7713人、青桥驿乡2388人、火烧店乡3511人、石门乡1735人、玉皇庙乡3520人、桑元乡2058人。
2001年，撤销石门乡并入玉皇庙乡。2001年末，全县人口45545人。辖5个镇、4个乡：城关镇、马道镇、武关驿镇、留侯镇、江口镇、青桥驿乡、火烧店乡、玉皇庙乡、桑园坝乡。
2010年第六次人口普查，留坝县常住总人口43398人，其中：城关镇10746人，马道镇5094人，武关驿镇5145人，留侯镇2988人，江口镇7171人，青桥驿乡1947人，火烧店乡3070人，玉皇庙乡5140人，桑元坝乡2097人。
2011年，撤销桑园坝乡并入江口镇，撤销玉皇庙乡设立玉皇庙镇，撤销火烧店乡设立火烧店镇，撤销青桥驿乡设立青桥驿镇。调整后，留坝县辖8个镇：城关镇、马道镇、武关驿镇、留侯镇、江口镇、青桥驿镇、火烧店镇、玉皇庙镇。
2012年末，留坝县面积1951.3平方千米，户籍人口43571人，常住人口4.34万人。2013年末，留坝县辖8个镇，共有1个社区、98个行政村，县政府驻城关镇。
2015年，撤销城关镇，设立紫柏街道。撤并23个行政村，保留75个行政村。调整后，留坝县辖1个街道、7个镇。