古为羌地。唐属鄯州湟水县，宋、元属西宁州，明属西宁卫。清雍正三年（1725年）建大通、永安（均在门源境内）、白塔三城，设大通卫治大通城，属西宁府辖。乾隆九年（1744年）大通卫由门源浩门迁至白塔城（今大通县城关镇），乾隆廿六年（1761年）改卫为县。1949年成立大通县人民政府，1957年县府由城关镇迁至桥头镇。1960年划归西宁市管辖，1985年改为大通回族土族自治县。
1999年，撤销塔尔乡、东峡乡、元朔乡、黄家寨乡，设立塔尔镇、东峡镇、元朔镇、黄家寨镇。调整后，大通回族土族自治县辖6镇、22乡。1999年末，面积3000平方千米，人口420427人（根据青海省志），其中回族占27％，土族占9％。
2000年第五次人口普查，大通回族土族自治县（辖6镇、22乡）总人口416968人，其中：桥头镇61657人、城关镇22966人、塔尔镇19205人、东峡镇14869人、元朔镇24978人、黄家寨镇26059人、青林乡10441人、青山乡8359人、多林乡9193人、逊让乡12015人、极乐乡11910人、新庄乡14066人、西山乡7675人、宝库乡10151人、斜沟乡7560人、良教乡17023人、药草乡8954人、向化乡8183人、桦林乡14333人、朔北乡11982人、吊沟乡5863人、石山乡7645人、新城乡20099人、清平乡10782人、后子河乡16674人、长宁乡11163人、景阳乡13900人、岗冲乡9283人。
2001年1月16日，青海省政府青政函[2001]7号文批复：撤销新庄乡，设立新庄镇；撤销多林乡，设立多林镇；撤销长宁和后子河2乡，合并设立长宁镇；撤销清平乡，并入黄家寨镇；撤销岗冲和景阳2乡，合并设立景阳镇；撤销药草乡，并入塔尔镇；撤销新城乡和元朔镇，将其中6个村（老营庄、毛家寨、贺家寨、毛家沟、大湾、水泉湾）并入桥头镇，另4个村（新添堡、上堡、鲍东、鲍西）并入长宁镇。2001年末，大通回族土族自治县辖9个镇、13个乡（其中2个民族乡），13个居委会、289个行政村。
