春秋時屬楚巫中地，秦屬黔中郡，故址在今沅陵鎮窯頭村。
西漢高帝五年（前202）始置沅陵縣，屬武陵郡。
高后元年（前187）封長沙王子吳陽為沅陵郡侯。
新莽時改沅陵縣為沅陸縣。
東漢時，縣屬荊州武陵郡。
三國時，縣隨武陵郡，先屬蜀，后屬吳。
齊置武陵都尉府于沅陵。
陳天嘉元年（560），縣改屬沅州通寧郡。
太建七年（575），改通寧郡為沅陵郡，治沅陵，縣屬沅州沅陵郡。
隋開皇九年（589），改置辰州，治沅陵。
大業二年（606），復改辰州為沅陵郡，隸荊州。
隋末沅陵郡為梁蕭銑所據。
唐武德二年（619），梁蕭銑部將董景珍以沅陵郡降唐，改為辰州，縣屬辰州。
貞觀元年（627），分天下為10道，縣屬辰州，隸江南道。
開元二十一年（733）分天下為15道，縣屬辰州，隸黔中道。
天寶元年（742），改辰州為盧溪郡，縣屬盧溪郡。
乾元元年（758）改盧溪郡為辰州，縣屬辰州。
后梁開平元年（907），馬殷據湖南，受封楚王，縣、州隨屬馬楚，歷后唐、后晉、后漢無變。
后周廣順元年（951），南唐滅馬楚，三年（953）縣地隸武平軍節度使，治武陵，先后為劉言、王進逵、周行逢所據。
宋乾德元年（963），辰、錦、敘等州歸順，立辰州盧溪郡軍事，治沅陵，隸荊湖北路。
元至元十二年（1275）五月，宋知辰州呂文興降元，改辰州為辰州路，治沅陵，屬江南湖北道肅政廉訪司，隸湖廣行中書省。
至正二十四年（1364）吳王朱元璋遣徐達克辰州路，改辰州路為辰州府，治沅陵。
明洪武九年（1376）革元行中書省，置湖廣等處承宣布政使司，縣屬辰州府，隸湖廣布政使司。
宣德八年（1433），封遼簡王朱植第十七子朱貴譎為沅陵王，傳122年無子除。
嘉靖十二年（1533）湖北分守道駐沅陵，歷134年。
清康熙三年（1664），分設湖南布政使司于長沙，縣屬辰州府，隸湖南布政使司。
雍正八年（1730），縣屬辰永靖道，十三年（1735）改為辰沅永靖兵備道，縣仍屬辰州府，隸辰沅永靖兵備道。
直至宣統三年（1911）封建王朝結束。
1912年，廢沅陵縣存辰州府，府僅轄沅陵縣地。
1914年州府恢復沅陵縣，屬辰沅道。
1921年廢辰沅道，縣直屬湖南省。
1935年7月，設湘西綏靖處于沅陵。
轄19縣，劃為5個行政督察區，縣屬沅瀘辰溆區行政督察專員辦事處，治沅陵。
1936年，湘西綏靖處改為湘西綏靖公署。
綏靖區增至25縣，分為4個督察區，縣屬第一區行政督察專員公署，治沅陵。
1937年，全省劃分9個行政督察區，縣屬第三區行政督察專員公署，治沅陵。
1938年，縣屬第四區行政督察專員公署。
1940年，全省劃分10個行政督察區，縣屬第九區行政督察專員公署，治沅陵。
1942年，置省府湘西行署于沅陵，轄第八（駐永順）、第九（駐沅陵）、第十（駐洪江）3個督察區，抗日戰爭勝利后撤銷湘西行署。
1949年9月18日，沅陵解放。
1950年1月1日，湖南省臨時人民政府在沅陵設置湘西行政公署，轄沅陵、會同、永順3個專區，縣屬沅陵專區。
1952年8月，撤銷湘西行政公署及其所轄3個專區，沅陵縣改屬芷江專區，12月改屬黔陽專區。
1968年屬黔陽地區。
1981年屬懷化地區。
1984年，沅陵縣以原公社范圍建鄉、鎮，設8個區（增加軍大坪區，轄軍、筒、楓三鄉）、1個縣轄鎮、45個鄉、5個鄉級鎮。
1987年1月，桃源縣所轄沃溪鎮回歸沅陵縣。
是年，全縣轄8區、2個縣轄鎮、45個鄉、5個鄉級鎮。
1992年麻伊伏鎮更名為五強溪鎮。
1995年五強溪鎮由區轄鎮變為縣轄鎮。
1998年3月，撤銷懷化地區行政公署，設懷化市，縣屬懷化市。
2002年七甲坪鄉更名為七甲坪鎮。
2003年至2005年底，沅陵縣進行鄉鎮行政區劃調整，撤銷太常、烏宿、麻溪鋪、涼水井、官莊、北溶、麻伊伏、軍大坪8個區公所，將苦藤鋪鄉、白田鄉、鄭家村鄉大部并入沅陵鎮，柳林汊鄉、高坪鄉2村、黃壤坪鄉3村并入五強溪鎮，沃溪鎮、荔枝溪鄉、黃壤坪鄉部分并入官莊鎮，張家坪鄉、渭溪鄉、張家灘鄉、鄭家村鄉部分并入涼水井鎮，楠木鄉、蠶忙鄉、洞溪鄉并入七甲坪鎮，用坪鄉并入筲箕灣鎮，高砌頭鄉并入明溪口鎮，沙金灘鄉、栗坡鄉并入太常鄉，丑溪口鄉、舒溪口鄉大部合并為盤古鄉，烏宿鄉、清水坪苗族鄉、棋坪苗族鄉、落鶴坪鄉合并為二酉苗族鄉，池坪鄉、坳坪鄉、竹園鄉合并為荔溪鄉，長界鄉并入馬底驛鄉，落坪鄉并入北溶鄉，七甲溪鄉并入大合坪鄉，高坪大部并入清浪鄉，軍大坪鄉、筒車坪鄉、楓香坪鄉合并為借母溪鄉，麻溪鋪鎮、楠木鋪鄉、杜家坪鄉、深溪口鄉、肖家橋鄉、陳家灘鄉、火場土家族鄉不變，沅陵縣轄8個鎮、13個鄉、2個民族鄉。
2011年7月沅陵鎮成立漁家巷社區。
2016年行政區劃調整后，太常鄉、深溪口鎮并入沅陵鎮，沅陵縣轄21個鄉鎮、369個村、34個社區。
2019年9月沅陵鎮成立太安社區，全縣共369村、35個社區。