春秋时期属楚巫中地，战国属楚黔中地，秦属黔中郡。汉高祖五年(公元前202年)始置沅陵县，属武陵郡。汉高后元年(前187年)封长沙王子吴阳为沅陵顷侯。新莽时改沅陵县为沅陆县。东汉时，县属荆州武陵郡。三国时先属蜀，后属吴。齐置武陵都尉府于沅陵。陈天嘉元年(公元560年)，县改属沅州通宁郡。太建七年(575年)，改通宁郡为沅陵郡，治沅陵．隋开皇九年(589年)，改置辰州，治沅陵。大业二年(606年)，复改辰州为沅陵郡，隶荆州。唐武德二年(619年)，沅陵郡改为辰州，县属辰州。唐贞观元年(627年)，分天下为10道，县属辰州，隶江南道。开元二十一年(733年)分天下为15道，县属辰州，隶黔中道。宋隶荆湖北路。元改辰州为辰州路，治沅陵，隶湖广行中书省。明县属辰州府，隶湖广布政使司。清县仍属辰州府，隶辰沅永靖道。民国元年(1912年)，废沅陵县存辰州府，府仅辖沅陵县地。3年裁府恢复沅陵县，属辰沅道。 民国24年7月，设湘西绥靖处于沅陵。辖19县。1950年1月1日，湖南省临时人民政府在沅陵设置湘西行政公署，辖沅陵、会同、永顺3个专区，县属沅陵专区。1952年8月，撤销湘西行政公署及其所辖 3个专区，沅陵县改属芷江专区。12月，芷江专区迁驻黔阳县安江镇，改名黔阳专区，县属黔阳专区。1968年，黔阳专区改称黔阳地区，1981年，黔阳地区改称怀化地区，县属怀化地区，1997年改属怀化市至今。

由中科院长沙土地构造研究所和湖南考古研究所人员组成的专家组对湖南沅陵窑头村一带的地质地貌进行了调查和测试，初步确认位于沅陵县城南窑头村的古遗址，就是秦代古黔中郡故城遗址。