泾源是一片古老的热土。上古时期，以游牧部落为主体的诸多少数民族，在六盘山下、泾水源头这片潮湿、绿色的土地上，建立了最早的家园。历史延续千年，朝代更迭变换，泾源在历史上曾经拥有乌氏、安化、化平等县治名称，先后隶属于北地郡、安定郡、原州、秦凤路、平凉郡及渭州等。先秦时期，泾源及周边地区基本为戎狄部落游牧居住区。春秋战国时期，周天子名存实亡，各诸侯国之间战事激烈。秦惠文王时期，秦设置乌氏县，属北地郡，为泾源县历史建置之发端。
公元前221年，秦王嬴政建立了中国历史上第一个中央集权制的封建王朝——秦。秦在北地郡设置北地都尉，统领北地郡兵马，乌氏县（县址在今泾源县北部瓦亭）属之。秦朝还在北地郡乌氏县设瓦亭关，驻军防守。
汉武帝元鼎三年（前114年），析北地、陇西两郡地另置安定郡，郡治在高平（今固原市原州区）。乌氏县设有县尉，瓦亭、萧关设关都尉，领军驻守。
东汉光武帝时，针对当时匈奴威胁减轻的形势，采取“罢兵”措施，先后罢去郡都尉、关都尉和边郡吏卒，乌氏县、瓦亭关兵力减少。
三国时期，战争不断，最终形成魏、蜀、吴三国鼎立局面。当时，乌氏县（今泾源县）属魏，设县尉。
两晋时期，匈奴、鲜卑、羯、氐、羌等少数民族大量占据西北地区，但今泾源地区仍属晋，为都卢县地。西晋武帝泰始元年（265年），乌氏县属雍州安定郡。
东晋五胡十六国混战时期，泾源北部乌氏县属雍州安定郡，东南部属陇东郡，先后为前赵、后赵、前秦、后秦和夏所占据。
南北朝时期，南、北形成两大政治势力：南方历宋、齐、梁、陈四朝，统称南朝；北魏统一北部地区，统称北朝。北魏时，泾源属陇东郡，归泾阳县管辖。
隋、唐、五代属华亭县地。隋朝设郡、县两级，全国设190郡。郡置太守，主管民政，另置都尉、副都尉，掌握一郡之兵。泾源县大部属原州（后改称平凉郡，治高平县），东南小部分属安定郡华亭县。隋文帝时，在边境及内地重要的州设总管，负责该地区的军事。全国共有52个总管府，原州（今固原原州区）为其一。今泾源境内大部归原州总管府所辖。
唐朝行政设州、县两级制，又根据山川形势，分全国为十道（唐玄宗改为十五道），泾源属关内道的原州。唐高祖武德七年（624年），改行都督制，今泾源县境均属原州中都督府。755年，“安史之乱”起，唐朝与吐蕃战争不断。唐设置“原州七关”，今泾源县境内有六盘关、驿藏关、木靖关、制胜关。唐德宗建中四年（783年），唐蕃清水会盟的东西分界线之一即是弹筝峡口。
五代十国时期，今泾源地区先后归属后梁、后唐、后晋、后汉、后周。
宋朝安化县属秦凤路（治秦州，即今甘肃天水市），庆历元年（1041年）分秦凤路置泾原路，遂改隶泾原路（治泾州城，今甘肃泾川县北）。继之，又复隶秦凤路，属渭州（治今甘肃平凉市）。北宋乾德二年（964年），分割华亭县辖地设置安化县，治安化峡（今泾源县新民乡杨堡村）。熙宁五年（1072年）废仪州，改属渭州平凉府。熙宁七年（1074年），唐制胜关废弃，移安化县于关地（今泾源县城西2公里永丰村南），安化县旧地改设安化镇。南宋时归入金，金大定七年（1167年），改称化平县。
元朝时，废化平县并入华亭县。1206年，漠北蒙古部落日渐强大，其首领铁木真被推选为大汗，号成吉思汗。1279年，元统一中国，史称元朝。泾源北部与安西王府连接，驻有安西王军队，同时还有大量的屯田军队。元太祖成吉思汗至世祖忽必烈70年间，六盘山地区一直受到重视，成吉思汗、忽必烈及其所领军队都先后在六盘山地区驻扎、避暑。
元、明、清三代，泾源县南部皆属平凉府华亭县辖地。
1368年，朱元璋灭元，建立明王朝。明朝在北方设置“九边重镇”，今宁夏地区有两处，一是宁夏镇（治今银川市），二是固原镇（治今固原城）。明嘉靖年间，固原有大小屯堡41个，烽堠154个，泾源有38个。大湾川堡在今泾源县北部大湾乡，驻兵50名设防巡逻。
清朝建立初期，行政建置基本沿袭明制，地方行政设省、道、府、县四级。清廷极为重视军事建置，正规军分八旗兵和绿营兵两种。固原镇绿营兵所设的分防汛营中，蒿店汛、瓦亭营在今泾源县境内。
清同治十年（1871年）三月，西北回民反清抗暴斗争失败后，清廷将回民一万余人先后迁赶至化平（今泾源县）一带，割取华亭、平凉、固原、隆德四州（县）地，设置化平川直隶厅，隶属于平庆泾固化道，属平凉府。清总兵喻胜荣统领平江营兼六盘山一带防军，派绿营兵150名镇守化平。同治十三年，城守营有守兵115名。未置化平川直隶厅前，泾源境内原有白岩（今泾河源镇）、化平（今泾源县城）二塘汛，属平凉城守营，驻有绿营兵。
民国初年，今固原地区属甘肃省泾原道（治今甘肃平凉市），后改为陇东行政专区，辖固原、隆德、化平（今泾源县）、海原等县。民国2年（1913年）2月12日，改化平川直隶厅为化平县，改知县为知事。民国4年（1915年），化平城防营守兵裁撤，甘肃省政府将原清代绿营驻军改编为“新军”。
1935年8月，中国共产党领导的中国工农红军长征进入泾源县境内。8月18日，红二十五军由西向东翻越六盘山进入泾源县境内和尚铺、瓦亭一带。8月19日，经与瓦亭峡、三关口国民党守军激战胜利后，进至甘肃平凉，后与陕北刘志丹领导的红二十六军会合。1935年10月7日，毛泽东率领中央红军翻越六盘山进入泾源县境，亲自指挥红军指战员干净利落地歼灭了县境北部青石嘴国民党守军。翻越六盘山顶峰时，毛泽东登高望远，豪情激荡，吟赋《长征谣》（后修改成为传世名篇《清平乐·六盘山》）。红军长征在六盘山地区宣传了革命真理，播撒了革命火种。
抗日战争期间，海固回族人民举行了三次武装暴动，反抗国民党政府的压榨与迫害。1939年6月初，第二次海固回族武装暴动队伍进入泾源县，先后在黄花川、白面河一带与国民党军发生激战。1941年5月，第三次海固回族农民暴动队伍转战于六盘山，在县境内与国民党军队多次激战。马思义带领起义队伍200余人投奔陕甘宁革命根据地，成为中国共产党领导下西北地区第一支回族抗日武装——回民抗日骑兵团。
解放战争期间，国民党蒋介石坚持独裁专政，蓄意发动全面内战。1946年6月，王震将军率三五九旅从中原突围，向陕甘宁边区进发。按中共西北局指示，马思义率领由回民骑兵团战士60余人组成的武装工作队第一大队，迅疾出击国民党占领区，牵制其兵力，配合三五九旅行动。1946年9月11日，两个大队在老龙潭附近的冶家村与国民党军队发生激战，胜利完成任务。
中国共产党创建并领导下的中国人民解放军，在党中央、毛主席指挥下，取得“三大战役”的决定性胜利。1949年7月29日，由于中国人民解放军第十九兵团逼近平凉，化平县（泾源县）在地下党组织策划下，宣布解放。
1950年9月18日，化平县因泾河发源于此而改称泾源县，属甘肃省平凉专署所辖。
1953年成立泾源县回族自治区。
1955年更名为泾源回族自治县。
1958年复称泾源县，隶属宁夏回族自治区固原行政公署所辖。