夏、商时期，北川县境属梁州之域。 周代属冉駹部落境域，冉駹隶蜀国。周赧王十五年（前300），以蜀国境域设置蜀郡，北川属蜀郡冉駹部落境域。西汉武帝元鼎六年（前111），以冉駹部落之地置汶山郡，辖广柔等五县。据清乾隆版《石泉县志》载：“《通志》言，邑为蜀郡广柔县地。”西汉宣帝地节三年（前67），撤销汶山郡，辖县改隶蜀郡。东汉安帝延光三年（124），复设汶山郡，仍辖广柔等县。蜀汉、西普、成汉、东晋因之。刘宋迁汶山郡治于都安县（今灌县城），广柔县废。南齐在汉汶山县地设置北部都尉，北川属其境域。梁武帝普通三年（522），置绳州，辖汶山郡和新由北部都尉改置的北部郡，北部郡辖复置的广阳一县，北川属广阳县境域。西魏改汶山郡隶益州，绳州仅辖北部郡一郡。
北周武帝保定四年（564），改绳州名汶州，仍辖汶山郡和北部郡。天和元年（566），于北部郡新置北川县。此为北川建县之始。隋文帝开皇三年（583）撤销汶山郡和北部郡，以汶州、扶州合并设置蜀州，以州辖县，北川县隶蜀州。开皇五年（585），改蜀州名会州，北川县隶会州。隋炀帝大业三年（607），罢州设郡，会州、翼州、覃州合并置汶山郡，北川县汶山郡。唐高祖武德元年（618）罢郡设州，汶山郡复称会州，北川县隶会州。武德四年（621）改会州名南会州，北川县隶南会州。唐太宗贞观八年（634），改南会州名茂州，析北川县地置石泉县，北川、石泉两县均隶茂州。唐太宗永徽二年（651），并北川县入石泉县，石泉县仍隶茂州。唐玄宗天宝元年（742），罢州设郡，茂州改称通化郡，石泉县隶通化郡。唐肃宗乾元元年（758）罢郡设州，通化郡复称茂州，石泉县隶茂州。五代因之。北宋神宗熙宁九年（1076），石泉县改隶绵州。
北宋徽宗政和七年（1117），于石泉县置石泉军。石泉军辖石泉、龙安、神泉三县，隶成都府路。徽宗宣和三年（1121）石泉军降为军使，仍隶成都府路；军使不辖县，原辖三县还隶绵州。宣和七年（1125）又升石泉军使为石泉军，仍辖石泉、龙安、神泉三县，隶成都府路。南宋理宗宝祐三年（1255），石泉军迁治龙安县。元世祖中统五年（1264）（即至元元年）升石泉军为安州，石泉县隶安州，安州隶成都府路（后改成都路）。明太祖洪武七年（1374），降安州为安县，石泉县与安县均隶成都府。明世宗嘉靖四十五年（1566），石泉县改隶龙安府。清代因之 。
民国2年（1913）罢府、厅、州，以道辖县，石泉县隶川西道（次年改称西川道）。民国3年，因与陕西省石泉县同名，且彼县设置在先，乃复名北川县，仍隶西川道。从民国8年起，四川军阀割据的“防区制”正式形成，县级政区均由驻防军阀管辖，省、道形同虚设。北川县先后为吕超、邓锡侯、刘斌、杨森、田颂尧等大、小军阀的防区。民国19年，四川省正式撤道，各县均隶省。民国24年4月，中国工农红军第四方面军进驻北川后，在县境建立平南县和北川县苏维埃政府（均隶属于川陕省苏维埃政府）。7月下旬，苏维埃政权因红军撤离解体。同年，川政统一，省下设置行政督察区，北川县隶第十四行政督察区。
1949年10月1日，中华人民共和国成立。1950年1月7日，北川县解放，隶剑阁专区。1953年1月，剑阁专区改称广元专区，北川县隶广元专区。同年3月，广元专区撤销，北川县隶绵阳专区。1968年7月，绵阳专区改称绵阳地区，北川县隶绵阳地区。1985年5月，绵阳地区撤销，分置绵阳、广元、遂宁三市，北川县隶绵阳市。1987年11月，四川省人民政府批准：“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5月12日，北川羌族自治县治所曲山镇因“5·12”大地震夷为平地。5月22日，北川羌族自治县县委县府在安县安昌镇挂牌设立临时办事处。