“木垒”，清代又写作“穆垒”，系匈奴语“蒲类”的转音；汉代巴里坤湖称“蒲类海”，在其东；唐代庭州蒲类县在其西；但均相距不是很远，木垒恰在其中，地名源于古代民族语是可能的，有待考证。一说系蒙古语“马”、“大草原”或“弯曲的河流”之意。据《新疆博闻录》一书中“新疆地名的含义”一章认为：木垒，蒙古语，意为河湾（但欠考究论述）。
西汉时为蒲类后国地，唐属庭州蒲类县，据《西域地名》考证即北庭都护府之独山守捉。宋属高昌回鹘。成吉思汗统兵西征，在此建独山城。元属别失八里东境。明为瓦剌游牧地。清雍正十年（1732年）宁远大将军岳钟琪在木垒筑城，与巴里坤城“互为犄角”。乾隆年间设北路营塘，称“木垒塘”。置木垒河巡检，属奇台县。1912年重筑木垒城，1917年设木垒河县佐，隶属奇台县。
1930年从奇台县析置木垒河县，属迪化行政区。1950年3月1日建立木垒河县人民政府，隶属迪化专员公署。1954年7月14日成立木垒哈萨克自治区，次年2月14日改为木垒哈萨克自治县，属乌鲁木齐专区。1958年5月划归昌吉回族自治州。1969年自治县人民委员会改称革命委员会，1981年1月后恢复人民政府建置。
1996年，木垒哈萨克自治县辖2镇9乡：木垒镇、西吉尔镇、英格堡乡、大南沟乌孜别克族乡、东城乡、照壁山乡、新户乡、雀仁乡、白杨河乡、大石头乡、博斯坦乡。
2000年第五次人口普查，木垒哈萨克自治县总人口78172人，其中：木垒镇17246人、西吉尔镇6730人、东城镇12103人、英格堡乡6191人、照壁山乡8054人、新户乡7019人、雀仁乡4877人、白杨河乡2518人、大石头乡7037人、大南沟乌孜别克民族乡2645人、博斯塘乡3752人。
2003年，全县总面积17700平方千米，总人口86344人。辖3镇8乡：木垒镇、东城镇、西吉尔镇、英格堡乡、照壁山乡、新户乡、雀仁乡、白杨河乡、大石头乡、博斯塘乡、大南沟乌孜别克族乡。县政府驻木垒镇。
2010年第六次人口普查，木垒哈萨克自治县常住总人口65719人，其中：木垒镇20346人，西吉尔镇4189人，东城镇7136人，英格堡乡3593人，照壁山乡5234人，新户乡4929人，雀仁乡5147人，白杨河乡1862人，大石头乡5685人，大南沟乌孜别克乡2396人，博斯坦乡3926人，良种繁育场756人，克热克库都克牧场520人。