昔称“大肚子川”，又称“草帽顶子”。
清代，隶属宁古塔副都统管辖。
清光绪二十九年（1903）设置绥芬厅后，属由义社管辖。
1917年隶属东宁县第二区。
1936年将周围零散居民集中于此建屯，称大肚川屯。
1939年属石门子村，1943年改称大肚川村。
1945年设置大肚川区，1948年10月改为第五区，为区政府驻地。
1956年5月，撤区划乡，分设大肚川、团结、石门子3个乡。
1958年9月，将3个乡合并成立钢铁人民公社。
1959年改为大肚川公社。
1984年，改称大肚川乡。
1985年3月，改设大肚川镇。
名称沿用至今。