春秋时属楚巫中地，秦属黔中郡，故址在今沅陵镇窑头村。
西汉高帝五年（前202）始置沅陵县，属武陵郡。
高后元年（前187）封长沙王子吴阳为沅陵郡侯。
新莽时改沅陵县为沅陆县。
东汉时，县属荆州武陵郡。
三国时，县随武陵郡，先属蜀，后属吴。
齐置武陵都尉府于沅陵。
陈天嘉元年（560），县改属沅州通宁郡。
太建七年（575），改通宁郡为沅陵郡，治沅陵，县属沅州沅陵郡。
隋开皇九年（589），改置辰州，治沅陵。
大业二年（606），复改辰州为沅陵郡，隶荆州。
隋末沅陵郡为梁萧铣所据。
唐武德二年（619），梁萧铣部将董景珍以沅陵郡降唐，改为辰州，县属辰州。
贞观元年（627），分天下为10道，县属辰州，隶江南道。
开元二十一年（733）分天下为15道，县属辰州，隶黔中道。
天宝元年（742），改辰州为卢溪郡，县属卢溪郡。
乾元元年（758）改卢溪郡为辰州，县属辰州。
后梁开平元年（907），马殷据湖南，受封楚王，县、州随属马楚，历后唐、后晋、后汉无变。
后周广顺元年（951），南唐灭马楚，三年（953）县地隶武平军节度使，治武陵，先后为刘言、王进逵、周行逢所据。
宋乾德元年（963），辰、锦、叙等州归顺，立辰州卢溪郡军事，治沅陵，隶荆湖北路。
元至元十二年（1275）五月，宋知辰州吕文兴降元，改辰州为辰州路，治沅陵，属江南湖北道肃政廉访司，隶湖广行中书省。
至正二十四年（1364）吴王朱元璋遣徐达克辰州路，改辰州路为辰州府，治沅陵。
明洪武九年（1376）革元行中书省，置湖广等处承宣布政使司，县属辰州府，隶湖广布政使司。
宣德八年（1433），封辽简王朱植第十七子朱贵谲为沅陵王，传122年无子除。
嘉靖十二年（1533）湖北分守道驻沅陵，历134年。
清康熙三年（1664），分设湖南布政使司于长沙，县属辰州府，隶湖南布政使司。
雍正八年（1730），县属辰永靖道，十三年（1735）改为辰沅永靖兵备道，县仍属辰州府，隶辰沅永靖兵备道。
直至宣统三年（1911）封建王朝结束。
1912年，废沅陵县存辰州府，府仅辖沅陵县地。
1914年州府恢复沅陵县，属辰沅道。
1921年废辰沅道，县直属湖南省。
1935年7月，设湘西绥靖处于沅陵。
辖19县，划为5个行政督察区，县属沅泸辰溆区行政督察专员办事处，治沅陵。
1936年，湘西绥靖处改为湘西绥靖公署。
绥靖区增至25县，分为4个督察区，县属第一区行政督察专员公署，治沅陵。
1937年，全省划分9个行政督察区，县属第三区行政督察专员公署，治沅陵。
1938年，县属第四区行政督察专员公署。
1940年，全省划分10个行政督察区，县属第九区行政督察专员公署，治沅陵。
1942年，置省府湘西行署于沅陵，辖第八（驻永顺）、第九（驻沅陵）、第十（驻洪江）3个督察区，抗日战争胜利后撤销湘西行署。
1949年9月18日，沅陵解放。
1950年1月1日，湖南省临时人民政府在沅陵设置湘西行政公署，辖沅陵、会同、永顺3个专区，县属沅陵专区。
1952年8月，撤销湘西行政公署及其所辖3个专区，沅陵县改属芷江专区，12月改属黔阳专区。
1968年属黔阳地区。
1981年属怀化地区。
1984年，沅陵县以原公社范围建乡、镇，设8个区（增加军大坪区，辖军、筒、枫三乡）、1个县辖镇、45个乡、5个乡级镇。
1987年1月，桃源县所辖沃溪镇回归沅陵县。
是年，全县辖8区、2个县辖镇、45个乡、5个乡级镇。
1992年麻伊伏镇更名为五强溪镇。
1995年五强溪镇由区辖镇变为县辖镇。
1998年3月，撤销怀化地区行政公署，设怀化市，县属怀化市。
2002年七甲坪乡更名为七甲坪镇。
2003年至2005年底，沅陵县进行乡镇行政区划调整，撤销太常、乌宿、麻溪铺、凉水井、官庄、北溶、麻伊伏、军大坪8个区公所，将苦藤铺乡、白田乡、郑家村乡大部并入沅陵镇，柳林汊乡、高坪乡2村、黄壤坪乡3村并入五强溪镇，沃溪镇、荔枝溪乡、黄壤坪乡部分并入官庄镇，张家坪乡、渭溪乡、张家滩乡、郑家村乡部分并入凉水井镇，楠木乡、蚕忙乡、洞溪乡并入七甲坪镇，用坪乡并入筲箕湾镇，高砌头乡并入明溪口镇，沙金滩乡、栗坡乡并入太常乡，丑溪口乡、舒溪口乡大部合并为盘古乡，乌宿乡、清水坪苗族乡、棋坪苗族乡、落鹤坪乡合并为二酉苗族乡，池坪乡、坳坪乡、竹园乡合并为荔溪乡，长界乡并入马底驿乡，落坪乡并入北溶乡，七甲溪乡并入大合坪乡，高坪大部并入清浪乡，军大坪乡、筒车坪乡、枫香坪乡合并为借母溪乡，麻溪铺镇、楠木铺乡、杜家坪乡、深溪口乡、肖家桥乡、陈家滩乡、火场土家族乡不变，沅陵县辖8个镇、13个乡、2个民族乡。
2011年7月沅陵镇成立渔家巷社区。
2016年行政区划调整后，太常乡、深溪口镇并入沅陵镇，沅陵县辖21个乡镇、369个村、34个社区。
2019年9月沅陵镇成立太安社区，全县共369村、35个社区。