玉溪市辖地先秦时属古滇国，两汉分属益州、牂牁两郡；蜀汉分属益州、牂牁、兴古三郡；东晋、南朝分属晋宁、建宁、梁水、兴古四郡；隋属昆州；唐初分属黎、钩二度；宋大理时分为37部及善禅、银生节度地；元设云南行省时，分属澄江路、临安路、元江路、中庆路；至元十三年，属澄江路新兴州；明时，澄江路改澄江府，通海、华宁、峨山县属临安府，新设新平县隶临安府，易门县属云南府，元江县设元江军民府；清时，新平县属元江直隶州，其余沿明制；民国废府、州，设道，属滇中道、蒙自道、普洱道、后撤道，县直属省；民国后期曾在新平县设第六行政督察专员公署；新中国成立后，行政区划几经调整，1950年1月1日成立滇中专员公署，3月改称玉溪专员公署，辖玉溪、昆明、晋宁、呈贡、澄江、江川、华宁、通海、河西、峨山、易门、新平12个县；1951年5月12日成立了新中国第一个彝族自治县峨山彝族自治区（1956年1月1日改称峨山彝族自治县）；1954年，原属蒙自专区的元江县划属玉溪地区；1956年，峨山彝族自治区改为自治县；1958年10月投资兴建玉溪卷烟厂；1960年，晋宁（包括昆阳、呈贡）划属昆明市；1970年1月5日凌晨发生通海大地震；1972年1月18日发掘李家山古墓群；1980年11月23日元江县改设元江哈尼族彝族傣族自治县，25日新平县改设新平彝族傣族自治县；1983年8月，玉溪县改设县级玉溪市；1984年7月发现帽天山古生物化石；1989年12月18日修建昆玉铁路和玉蒙铁路；1997年12月13日，经国务院批准，撤销玉溪地区，设立地级玉溪市；撤销县级玉溪市，设立红塔区；1999年4月17日昆玉、玉元等高速公路建成通车；2003年11月星云湖一抚仙湖出流改道工程开工；2005年11月10日玉溪大河治理工程开工；2012年7月1日澄江化石申遗成功。