县名源于多伦诺尔，意为“七个湖”，因曾有七水泊（现已干涸）而得名。清初为察哈尔左翼正白、镶黄、正蓝三旗牧地。清雍正十年（1732年）设多伦诺尔理事同知厅，光绪七年（1881年）改抚民同知，属直隶省口北道。1913年设县隶察哈尔特别行政区，1950年划入内蒙古自治区先后隶察哈尔盟、锡林郭勒盟。
1996年?，多伦县面积3726平方千米，人口9.7万人，其中蒙古族占3%。辖1个镇、10个乡：城关镇、十五号乡、大北沟乡、西干沟乡、耗来沟乡、黑山嘴乡、三道沟乡、大仓乡、大河口乡、上都河乡、蔡木山乡。县政府驻城关镇，距锡林浩特市285千米。
2000年第五次人口普查，多伦县总人口102879人，其中：城关镇30461人，十五号乡9127人，大北沟乡9882人，西干沟乡7175人，耗来沟乡6409人，黑山咀乡7243人，三道沟乡4718人，大仓乡5882人，大河口乡8028人，上都河乡9099人，蔡木山乡1683人，一家河牧场3172人。
2001年实施撤乡并镇，全县由原来的12个乡、镇、场组调整为8个乡、镇：多伦淖尔镇、大北沟镇、黑山嘴镇、十五号乡、西干沟乡、大河口乡、上都河乡、蔡木山乡。县政府驻多伦淖尔镇。
2006年区划调整后，全县辖2个镇、2个乡：大北沟镇、多伦淖尔镇、大河口乡、蔡木山乡。共有64个行政村、7个社区。全县总面积3773平方千米（566万亩）。总人口28857户10.47万人。
2009年，全县总面积3773平方千米。总人口39402户10.5万人。辖2个镇、2个乡，64个行政村、7个社区。
2012年10月，恢复西干沟乡，该乡面积549平方千米，人口1.3万人，辖13个村。调整后，全县辖2个镇、3个乡：大北沟镇、多伦淖尔镇、大河口乡、蔡木山乡、西干沟乡。
