周为代国领域，战国时为赵延陵邑，秦置延陵县。西汉置延陵县，治今县境东北新平堡，又置阳原县，治今县境南，俱属代郡，东汉废。北魏道武帝置广牧县，属附化郡，寻废。唐于今治置天成军，后废。辽析云中县地置天成县，因军故治，属大同府。金改天城县，隶属不变。贞佑二年（1214）于弘州阳门镇置阳门县，以阳门山得名，故治在今县境东。元废阳门县，复改天城县为天成县，始属宣德府，中统年间改属兴和路。
明洪武四年（1371）改属大同府，寻废。二十六年置天成卫，属山西行都指挥使司。正统十四年（1449）镇虏卫自大同迁此与天成卫同治，隶属不改。清顺治三年（1646）天成、镇虏两卫合一，取两卫首字定名天镇卫。雍正三年（1725）升卫为县，属大同府，县因卫名。民国初年属雁门道，后直属省。1949年属察哈尔省。1952年复归山西省，属雁北专区。1958年废入阳高县。1961年复置，仍属雁北专区。1967年属雁北地区。1993年属大同市。
1996年，天镇县人口约19万人。辖5个镇、12个乡：城关镇、谷前堡镇、米薪关镇、逯家湾镇、新平堡镇、三十里铺乡、孙家店乡、南河堡乡、东沙河乡、贾家屯乡、将军庙乡、赵家沟乡、谷大屯乡、南高崖乡、张西河乡、宣家塔乡、大营盘乡。县政府驻城关镇。
2000年第五次人口普查，天镇县常住总人口187832人，其中，城关镇43857人，谷前堡镇19987人，米薪关镇9911人，逯家湾镇9454人，新平镇7679人，三十里铺乡13526人，孙家店乡7374人，南河堡乡12523人，东沙河乡10623人，贾家屯乡5929人，将军庙乡3633人，赵家沟乡7510人，谷大屯乡7392人，南高崖乡7792人，张西河乡10742人，宣家塔乡4830人，大营盘乡5070人。
2001年，城关镇更名为玉泉镇；米薪关镇、谷大屯乡合并设立米薪湾镇；逯家湾镇、宣家塔乡合并设立逯家湾镇；新平堡镇、大营盘乡合并设立新平堡镇；三十里铺乡、孙家店乡合并设立三十里铺乡；南河堡乡、东沙河乡合并设立南河堡乡；贾家屯乡、将军庙乡合并设立贾家屯乡；区划调整后，全县辖5个镇、6个乡：玉泉镇、谷前堡镇、米薪关镇、逯家湾镇、新平堡镇、三十里铺乡、南河堡乡、贾家屯乡、赵家沟乡、南高崖乡、张西河乡。县政府驻玉泉镇。
2010年第六次人口普查，天镇县常住总人口206009人，其中，玉泉镇67449人，谷前堡镇19421人，米薪关镇17379人，逯家湾镇12899人，新平堡镇12108人，三十里铺乡21546人，南河堡乡22182人，贾家屯乡8768人，赵家沟乡5963人，南高崖乡6588人，张西河乡11706人。
2015年末，天镇县辖5个镇、6个乡（合计11个），12个居委会、222个村委会（合计234个）。
