县因“周围皆山，中垣如曲”，故名。据《垣曲县志》，垣指王屋山，山形如垣（按，垣指黄土高原地形，意为陡峭的山上平地），曲指河曲，县当黄河九曲之一，因称垣曲。“垣”始于商、周，战国时为魏国王垣邑。秦于今新城东南30千米古城镇西置垣县，属河东郡。前秦皇始三年（353）侨置幽州，故治在今古城镇东南，后徙废。
北魏皇兴四年（470）改白水县，于县置邵上郡，徙治今古城镇。孝昌年间于今新城南8千米清廉村置清廉县，属邵上郡；旋改邵上郡为邵郡。西魏大统十六年（550）于今县境置邵州，寻废。北周于今古城镇东置蒲原县，属邵郡。明帝二年（558）复置邵州。武成元年（559）白水县改亳城县。隋大业三年（607）改垣县，以清廉、蒲原2县废入；同时废邵州及邵郡，县改属绛郡。义宁元年（617）于今古城镇西北5千米下亳城村复置亳城县，属绛州。同年于垣县置邵原郡。
唐武德元年（618）复置清廉县，改邵原郡为邵州。二年于今古城镇东置长泉县，属怀州，寻废。五年亳城县废入垣县。九年废清廉县及邵州，垣县先后属绛、洛、陕诸州，终属绛州。宋垣县改垣曲县，属绛州绛郡。金兴定初年属晋安府，四年（1220）割属翼州。蒙古至元二年（1265）垣曲县废入绛县，十六年复置，还属绛州。清雍正二年（1724）改属解州，八年复属绛州。
民国初年废州，县属河东道，道废后直属省。1943年析置垣南县，属太岳行署三专署，后废。1949年属晋南区运城分区，隶陕甘宁边区。后复归山西省，属运城专区。1954年属晋南专区。1958年（一说1959年7月5日）县政府迁至刘张镇（即今新城镇）。1967年属晋南地区。1970年属运城地区。2000年属地级运城市。
1997年末，垣曲县面积1620平方千米，人口217291人。辖5个镇、12个乡：新城镇、古城镇、同善镇、王茅镇、毛家湾镇、皋落乡、长直乡、华峰乡、陈堡乡、谭家乡、望仙乡、历山乡、解峪乡、安窝乡、英言乡、蒲掌乡、窑头乡。共有191个行政村，1319个自然村。县政府驻新城镇。
2000年第五次人口普查，垣曲县常住总人口219371人，其中，新城镇66419人，同善镇10680人，古城镇15867人，王茅镇8465人，毛家镇12378人，窑头乡3130人，蒲掌乡12437人，英言乡16956人，谭家乡10810人，历山乡1281人，望仙乡1377人，安窝乡3293人，解峪乡3907人，陈堡乡9182人，华峰乡10226人，长直乡12591人，皋落乡20372人。
2001年区划调整后，全县辖5个镇、6个乡：新城镇、历山镇、古城镇、王茅镇、毛家镇、蒲掌乡、英言乡、解峪乡、华峰乡、长直乡、皋落乡。县政府驻新城镇。
2010年第六次人口普查，垣曲县常住总人口231018人，其中，新城镇76386人，历山镇13755人，古城镇23525人，王茅镇10516人，毛家镇10832人，蒲掌乡16699人，英言乡17664人，解峪乡6332人，华峰乡21591人，长直乡12998人，皋落乡20720人。
2015年末，垣曲县辖5个镇、6个乡（合计11个），11个居委会、188个村委会（合计199个）。