楚雄原名“威楚”。据宣统《楚雄县志》“楚雄名义考”条，“楚雄”之名，始自战国。庄足乔开滇略地日楚。地当省垣门户，雄镇迤西八府，明以楚雄之名，殆取楚地雄远播之义欤。另一说为“威楚”是彝语地名，“楚雄”是“威楚”的演变。先秦时期，楚雄州境内主要分布着氐羌、百越、百濮3大群族。春秋时期，秦霸西戎，氐羌部落南迁，州境以氐羌文化为主，百越、百濮变弱。公元前4世纪，楚将庄蹻通滇，楚雄属滇地。
汉代分属益州郡和越嶲郡。曾为爨氏所据。三国蜀汉西部置云南郡，治今姚安县；东部属建宁郡，北部属越嶲郡，均隶益州。西晋则分属建宁郡和云南郡，隶宁州。东晋、南朝州境西部置兴宁郡，治今姚安县；东北部置建都郡，治今武定县；东部属晋宁郡，均隶宁州。隋唐时期，州境经长期民族融合，形成以乌蛮、白蛮为主体的居住区域。隋属南宁州总管府。唐初属戎州都督府和姚州都督府（治今姚安县），隶剑南道；唐南诏国时属拓东节度和弄栋节度（治今姚安县）。宋大理国属弄栋府（治今姚安县）、鄯阐府和威楚府（治今楚雄市）。唐宋时期“南诏三十七部”在州境有白鹿部（楚雄）、罗部（罗次）、罗婺部（武定）、华竹部（元谋）以及抬萼部（牟定）、易裒部（广通）、摩刍部（双柏）等以彝族先民为主体的少数民族政权。
元初，州境分属威楚万户、罗婺万户、大理万户和安宁千户所；后分置威楚路、武定路、姚安路、中庆路安宁州。威楚路：元宪宗六年（1256）置威楚万户，至元八年（1271）升威楚路，至顺二年（1331）析南部开南州境置景东军民府。辖威楚、定远、锷嘉3县，镇南、南安2州，南安州辖广通县。其中至元十二年（1275），牟州千户改置定远州（寻改定远县），锷嘉千户改置锷嘉县，黄蓬穽百户改置南宁县（寻并入定远州为南宁乡），欠舍千户改置镇南州，石鼓百户改置石鼓县，摩刍千户改置南安州，路睒千户改置广通县；至元十五年（1278）威楚县升威州，置富民、沙乐2县属威州；二十一年（1284）威州复降威楚县，富民、沙乐2县并入威楚县为乡；至元二十四年（1287），定边县、石鼓县并入镇南州为乡。武定路军民府：元宪宗七年（1257）置罗婺万户，属威楚路；至元八年（1271）改置北路，十一年（1274）更名武定路。辖和曲州、禄劝州，和曲州下辖南甸县、元谋县，禄劝州下辖易笼县、石旧县。其中至元六年叵簉甸更名为和曲，二十六年（1289）置和曲州；同年置南甸县、元谋县（治五甸）、禄劝州、易笼县、石旧县。姚安路军民府：天历元年（1328）析大理路置姚安路。辖姚州、大姚县。其中姚州于元宪宗七年（1257）置统矢千户，属大理下万户；至元十二年（1275）改置姚州，属大理路；天历年间，改属姚安路，为倚郭。大姚县于元宪宗七年（1257）置大姚堡千户，属大理下万户；至元十一年（1274）改置大姚县，改属姚州。中庆路安宁州属禄丰县、罗次县：至元十二年（1275）析安宁千户置禄丰县，属中庆路安宁州；置罗次州，属中庆路；二十四年（1287）降罗次州为罗次县，二十七年（1290）罗次县改属安宁州。
明代分置楚雄府、姚安军民府、武定府及云南府罗次县。楚雄府：明洪武十五年（1382），改元威楚路为楚雄府，威楚县更名为楚雄县，复置定边县。楚雄府辖南安、镇南2州，楚雄、广通、定远、锷嘉、定边5县。姚安军民府：明洪武十五年（1382）改元姚安路为姚安府，属布政司，下辖姚州及大姚县。洪武二十七年（1394）改置姚安军民府。武定府：明洪武十五年改元武定路为武定府，寻改置武定军民府，属布政司；辖和曲、禄劝2州，南甸、元谋、易笼、石旧4县。洪武十七年（1384）易笼县省入禄劝州。成化十二年（1476），南甸县由和曲州辖改直属武定府；正德元年（1506）南甸县省入和曲州，石旧县省入禄劝州。隆庆三年（1569），府治徙狮子山；万历年间复改置武定府。罗次县：弘治十三年（1500）直属云南府。
清代分属楚雄府、武定直隶州（府）及云南府罗次县。楚雄府：清初袭明制，称楚雄府，属云南省迤西道。辖南安、镇南2州；楚雄、广通、定远、锷嘉、定边5县。康熙八年（1669）裁锷嘉县，其地并入南安州。雍正七年（1729）裁定边县，其地并入蒙化府。乾隆三十五年（1770）裁姚安军民府，析其原领之姚州、大姚县来属。至清末，楚雄府辖南安、姚州、镇南3州；楚雄、广通、定远、大姚4县。武定直隶州：清初袭明制，称武定军民府，属云南省迤东道。辖禄劝州、和曲州、元谋县。乾隆三十年（1765）改武定军民府为武定府。乾隆三十一年（1766）武定府改属云南省云武粮储道。乾隆三十五年降武定府为直隶州，裁和曲州，其地并入直隶州，并改禄劝州为县。至清末，武定直隶州辖元谋县、禄劝县。罗次县：清初袭明制，属云南府，隶云南省迤东道；乾隆三十一年改属云南省云武粮储道。
民国2年（1913）废府、州：南安州、姚州、镇南州、武定直隶州更名为南安县、姚安县、武定县；同年由姚安县析置盐丰县，县治设于白盐井；以定远、广通两县之黑盐井等地方析置盐兴县；迤西道改为滇西道。民国3年（1914）1月，南安县更名为摩甸县；定远县更名为牟定县；同年6月滇西道为腾越道；楚雄、元谋、武定、牟定、禄丰、盐兴、摩甸、广通、罗次县隶属滇中道；大姚、姚安、盐丰、镇南县隶属腾越道。民国5年（1916）裁滇中道，东部直属省。民国13年（1924）由大姚县析出，设永仁县。民国18年（1929）废腾越道，西部直属省。同年6月，摩甸县更名为双柏县。民国35年（1946）云南置第八行政督察区，专员公署驻姚安县，下辖姚安、镇南、盐丰、永仁、大姚、牟定、楚雄、元谋、盐兴、广通、祥云、大理、凤仪、蒙化、顺宁、昌宁、永平、云龙、漾濞、弥渡、邓川等21县。双柏县隶属第六行政督查区（驻新平县）；武定、禄丰、罗次3县由省直辖。