昔稱“大肚子川”，又稱“草帽頂子”。
清代，隸屬寧古塔副都統管轄。
清光緒二十九年（1903）設置綏芬廳后，屬由義社管轄。
1917年隸屬東寧縣第二區。
1936年將周圍零散居民集中于此建屯，稱大肚川屯。
1939年屬石門子村，1943年改稱大肚川村。
1945年設置大肚川區，1948年10月改為第五區，為區政府駐地。
1956年5月，撤區劃鄉，分設大肚川、團結、石門子3個鄉。
1958年9月，將3個鄉合并成立鋼鐵人民公社。
1959年改為大肚川公社。
1984年，改稱大肚川鄉。
1985年3月，改設大肚川鎮。
名稱沿用至今。