《尚书•禹贡》记载夏商时期，北川属梁州之域，周为冉駹部落属地。汉武帝开发西南，于冉駹属地置汶山郡，属汶山郡广柔县。

北周武帝保定四年（564年）在今禹里镇青石置北川县，是为北川建县之始。唐太宗贞观八年（634年）析北川县地在今禹里镇置石泉县，唐高宗永徽二年（651年），并北川县入石泉县。民国3年（1914年），因与陕西省石泉县同名，且彼县设置在先，乃复名北川县。

1950年1月北川解放，隶剑阁专区；1953年3月隶绵阳专区，1985年5月隶绵阳市。

1987年11月，省人民政府批准“自1988年1月起北川按少数民族县待遇”；2003年7月6日，国务院批准设立北川羌族自治县，同年10月25日举行自治县成立庆典。

2008年7月10日，中共绵阳市委、绵阳市人民政府决定由北川代管安县永安镇、安昌镇和黄土镇的常乐、红岩、顺义、温泉、红旗、东鱼6个村；2009年2月6日，国家民政部以民函〔2009〕41号批准“将安县的安昌镇、永安镇，黄土镇的常乐、红岩、顺义、红旗、温泉、东鱼6个村划归北川羌族自治县管辖”。同年11月9日，四川省人民政府以川府民政〔2009〕15号同意将北川羌族自治县安昌镇的常乐、红岩、顺义、温泉、红旗、东鱼6个村所属行政区域析出，设立永昌镇；2010年1月31日，县人民政府举行永昌镇成立庆典。

2014年桂溪乡、禹里乡，2016年小坝乡、陈家坝乡撤乡设镇。

2019年永昌镇与安昌镇合并设立永昌镇，通口镇和香泉乡合并设立通泉镇，坝底乡和墩上乡合并设立坝底乡，都坝乡和贯岭乡合并设立都贯乡。至2022年底，全县设10镇9乡(其中桃龙为藏族乡)。自建县至2022年已历1458年。