西汉置崞县，属雁门郡，又置繁峙县，属雁门郡。新莽改崞县为崞张，改繁峙为当要。东汉初年两县复西汉时旧名，东汉末年俱废。晋复置2县，仍属雁门郡。北魏置崞山县，属繁峙郡，故治在今城关西10千米毕村。唐析云中县地置浑源县，属应州，以浑河发源于县境得名。
金贞佑三年（1215）于县置浑源州，县属之。蒙古初年改浑源县为恒阴县，因在恒山之阴，故名。至元四年（1267）废县入州，属大同路。明、清俱为浑源州，属大同府。民国初年废府，改州为县，属雁门道，道废后直属省。1949年改属察哈尔省。1952年复归山西省，属雁北专区。1967年属雁北地区。1993年属大同市。
1996年，浑源县面积约1900平方千米，人口约30万人。辖6个镇、22个乡：城关镇、西坊城镇、蔡村镇、沙圪坨镇、大磁窑镇、王庄堡镇、官儿乡、张庄乡、东坊城乡、十义号乡、西留乡、北榆林乡、驼峰乡、下韩乡、南水头乡、吴城乡、大洼乡、杨庄乡、大仁庄乡、官王铺乡、黄花滩乡、中庄铺乡、青磁窑乡、温庄乡、西河口乡、荆庄乡、土岭乡、林场乡。县政府驻城关镇。
2000年第五次人口普查，浑源县常住总人口325763人，其中，城关镇86148人，西坊城镇13944人，蔡村镇12665人，沙圪坨镇9710人，王庄堡镇13012人，大磁窑镇8102人，张庄乡9716人，东坊城乡14250人，荆庄乡12464人，十义号乡16897人，驼峰乡11624人，西留村乡12814人，下韩村乡11093人，杨庄乡15030人，北榆林乡7853人，南水头乡2445人，吴城乡2913人，大洼乡6497人，黄花滩乡8429人，大仁庄乡7134人，官王铺乡4386人，中庄铺乡11313人，温庄乡3962人，西河口乡2390人，官儿乡5002人，土岭乡6024人，青磁窑乡7990人，林场乡1956人。
2001年，城关镇、张庄乡合并设立永安镇；杨庄乡、沙圪坨镇合并设立沙圪坨镇；王庄堡镇、西河口乡合并设立王庄堡镇；中庄铺乡、温庄乡合并设立千佛岭乡；青磁窑乡、林场乡合并设立青磁窑乡；荆庄乡、东坊城乡合并设立东坊城乡；吴城乡、大洼乡合并设立吴城乡；官儿乡、土岭乡合并设立官儿乡；南水头乡、北榆林乡合并设立南榆林乡；黄花滩乡、官王铺乡合并设立黄花滩乡；十义号乡更名为裴村乡。区划调整后，全县辖6个镇、12个乡：永安镇、西坊城镇、蔡村镇、沙圪坨镇、王庄堡镇、大磁窑镇、东坊城乡、裴村乡、驼峰乡、西留村乡、下韩村乡、南榆林乡、吴城乡、黄花滩乡、大仁庄乡、千佛岭乡、官儿乡、青磁窑乡。县政府驻永安镇。
2010年第六次人口普查，浑源县常住总人口343486人，其中，永安镇122851人，西坊城镇13897人，蔡村镇12674人，沙圪坨镇24233人，王庄堡镇17032人，大磁窑镇5849人，东坊城乡27945人，裴村乡15729人，驼峰乡10398人，西留村乡11481人，下韩村乡9047人，南榆林乡9444人，吴城乡8009人，黄花滩乡10260人，大仁庄乡7316人，千佛岭乡16614人，官儿乡10909人，青磁窑乡9798人。
2015年末，浑源县辖6个镇、12个乡（合计18个），11个居委会、315个村委会（合计326个）。