县因在沁河之源而得名。西汉置谷远县，属上党郡。新莽改谷近，东汉复旧，晋废。北魏建义元年（528）于今县境置沁源、团城2县，俱属义宁郡，且为郡治。北齐废团城县，隋开皇三年（583）废义宁郡，十六年于今县境西北置绵上县，属西河郡，于沁源县境置沁州，县属之。义宁元年（617）复置义宁郡。
唐武德元年（618）改义宁郡为沁州，沁源、绵上2县俱属之，二年于今县境西置招远县，亦属沁州，三年废招远县。天宝元年（742）改沁州为阳城郡，乾元元年（758）复为沁州，2县俱属之。宋属威胜军。庆历六年（1046）绵上县徙治今县城北35千米绵上村。金元光二年（1223）于今县境置谷州。蒙古初年废谷州，至元十年（1273）绵上县废入沁源县，仍属沁州。1949年属长治专区，后属晋东南专区（地区）。1985年属长治市。
1996年，全县面积2554平方千米，人口约16万人，辖4个镇、18个乡：城关镇、郭道镇、王和镇、柏子镇、法中乡、柏木乡、中峪乡、五龙川乡、李元乡、韩洪乡、鱼儿泉乡、定阳乡、交口乡、白狐窑乡、官滩乡、景凤乡、赤石桥乡、庄儿上乡、聪子峪乡、王陶乡、花坡乡、王凤乡。县政府驻城关镇。
2000年第五次人口普查，沁源县常住总人口154305人，其中，城关镇35273人，郭道镇16753人，柏子镇8937人，王和镇10457人，中峪乡5549人，五龙川乡1314人，法中乡7715人，柏木乡1318人，交日乡6920人，白狐窖乡2570人，聪子峪乡5966人，定阳乡2444人，韩洪乡9519人，鱼儿泉乡1270人，官滩乡3745人，景风乡3144人，赤石桥乡5515人，庄儿上乡2358人，王陶乡9836人，王凤乡2201人，李元乡10580人，花坡乡921人。
2001年区划调整后，全县辖5个镇、9个乡：沁河镇、郭道镇、灵空山镇、王和镇、李元镇、中峪乡、法中乡、交口乡、聪子峪乡、韩洪乡、官滩乡、景风乡、赤石桥乡、王陶乡。
2010年第六次人口普查，沁源县常住总人口158702人，其中，沁河镇50143人，郭道镇17198人，灵空山镇9611人，王和镇11123人，李元镇14695人，中峪乡4724人，法中乡7717人，交口乡7761人，聪子峪乡6441人，韩洪乡8313人，官滩乡3441人，景凤乡2077人，赤石桥乡5937人，王陶乡9521人。
2015年末，沁源县辖5个镇、9个乡（合计14个），6个居委会、254个村委会（合计260个）。