“巴音郭楞”系蒙古語，意為“美麗富饒的流域”。秦漢時期，樓蘭、若羌、且末、小宛、戒盧、山國、輪臺、焉耆、尉犁、渠犁、危須等十一國即在今巴州境內。西漢神爵二年（公元前60年）設西域都護府于烏壘城，巴州全境正式隸屬漢朝版圖。東漢永元二年（公元90年）以后形成享國達730年之久的焉耆龍氏王朝。唐顯慶三年（658年）置焉耆都護府。五代至宋屬西州回鶻。元時屬別失八里行尚書省。

清乾隆二十三年（1758年），清朝平準噶爾丹后，將焉耆定名喀喇沙爾。乾隆二十四年（公元1759年），清朝設置喀喇沙爾辦事大臣，所屬焉耆及庫爾勒、布古爾實行伯克制。卡墻（即今州且末縣）、卡克里克（今州若羌縣）隸屬于闐辦事大臣管轄。乾隆三十六年（公元1771年），土爾扈特及和碩特蒙部回歸祖國，烏納恩蘇珠克圖盟舊土爾扈特部南路四旗五十四蘇木和巴圖色勒圖盟和碩特中路三旗十一蘇木共游牧于珠勒都斯，實行札薩克制，由喀喇沙爾辦事大臣兼轄，伊犁將軍節制。

光緒八年（1882年）新疆建省后，設喀喇沙爾直隸廳，歸阿克蘇管轄。光緒二十五年（1899年），喀喇沙爾恢復原名焉耆，升焉耆為府，先后管轄新平（今尉犁）、婼羌、輪臺三縣，仍屬阿克蘇道管轄。民國二年（1913年）改焉耆府為縣。民國九年（1920年）設焉耆道。民國十九年（1930年）設焉耆行政長公署。民國二十八年（1939年）置和通縣及和碩設治局，庫爾勒升縣。同年12月改和通縣為和靖縣。民國三十五年（1946年），和碩升縣。

1950年4月12日成立焉耆專署。1954年6月23日撤銷焉耆專署，分別成立巴音郭楞蒙古自治州（轄焉耆、和碩、和靖三縣，州府駐焉耆縣）和庫爾勒專署（轄庫爾勒、尉犁、輪臺、婼羌、且末五縣，專署駐庫爾勒）。1959年改“婼羌縣”為“若羌縣”。1960年12月撤庫爾勒專署并入巴音郭楞蒙古自治州，州府由焉耆遷址庫爾勒。1965年改“和靖縣”為“和靜縣”。1970年4月設置博湖縣。1979年10月成立庫爾勒市。1984年撤庫爾勒縣并入庫爾勒市。

2000年第五次人口普查，巴音郭楞蒙古自治州常住總人口1056970人。其中：庫爾勒市381943人、輪臺縣91986人、尉犁縣103681人、若羌縣28636人、且末縣55540人、焉耆縣117529人、和靜縣161157人、和碩縣62970人、博湖縣53528人。

2001年底，巴州共有85個鄉鎮。其中鄉64個，鎮21個，街道辦事處5個，區公所3個。全州總戶數為33.22萬戶，總人口為106.25萬人。其中：兵團人口21.23萬人，占總人口的19%；農業人口為64.19萬人，占總人口的60.41%，非農業人口為42.06萬人，占總人口的39.59%。巴州有41個民族，少數民族人口45萬人，占總人口的44.69%，人口萬人以上的有蒙古、維吾爾族、漢、回等4個民族；蒙古族人口4.48萬人，占總人口的4.46%，占少數民族人口的9.98%；維吾爾族人口34.3萬人，占總人口的34.25%，占少數民族人口的76.63%；回族人口5.4萬人，占總人口的5.38%，占少數民族人口的12.05%；其他少數民族人口0.59萬人（37個民族），占總人口的0.59%，占少數民族人口1.33%。其中人員1000人以下100人以上的民族為哈薩克族、柯爾克孜族、錫伯族、俄羅斯族、滿族、東鄉族、壯族、藏族、瑤族、苗族、土族、土家族等12個民族。

2003年，巴州總面積472472.1平方千米，總人口1126467人。轄1市、8縣，即庫爾勒市、輪臺縣、尉犁縣、若羌縣、且末縣、焉耆回族自治縣、和靜縣、和碩縣、博湖縣。州政府駐庫爾勒市。

2008年末，巴州總人口125.43萬人，少數民族人口54.42萬人，占全州總人口的43.4％。

2009年，自治區政府（新政函[2009]132號）批復同意將尉犁縣西尼爾鎮整建制劃歸庫爾勒市管轄。

2009年末，巴州總人口129.32萬人，少數民族人口56.52萬人，占全州總人口的43.7%。全州轄八縣一市，5個街道、24個鎮、61個鄉。

2010年第六次人口普查，常住總人口1278486人，其中：庫爾勒市549324人，輪臺縣116166人，尉犁縣96068人，若羌縣35580人，且末縣65572人，焉耆回族自治縣127628人，和靜縣160804人，和碩縣72556人，博湖縣54788人。