西汉置武州县，治今城关东古城村，属雁门郡。
东汉治徙偏关县贾堡。
北魏置武周县，属代郡。
隋废入云内县。
金置云川县(习称云西县)。
元废入大同县。
明永乐七年(1409)大同左卫自大同徙镇朔卫故城(即今城关)。
正统十四年(1449)云川卫自大同迁此与大同左卫同治，改称左云川卫。
清初改称左云卫。
雍正三年(1725)升卫为县，属朔平府。
1912年属雁门道，后属省。
1937年9月18日日军侵占左云城，县隶属伪蒙疆联合委员会晋北自治政府。
与此同时，中国共产党于敌后广大农村开辟抗日根据地，从1938年-1940年10月，在左云和邻县边陲地区，先后组建大（同）怀（仁）左（云）、左（云）右（玉）凉（城）、大（同）丰（镇）凉（城）左（云）联合抗日县政府，隶晋绥边区第十一行政专员公署。
1940年10月，联合县撤销，复左云县建制，县治无定（主要在南北山区），属晋西区第十一专署。
1949年属察哈尔省。
1952年复归山西省。
1958年右玉县并入左云县。
1961年右玉、左云2县分置。
1949年以来，先后属雁北专区、晋北专区、雁北地区。
1993年属大同市。