“吉木乃”系氏族名，為烏古斯汗國九姓氏族之一，又名“吉別乃”，“吉木乃”為“吉別乃”的音譯演變。又名托普鐵熱克。托普鐵熱克，哈薩克語，意為楊樹林。早年此地多楊樹而得名。

隋朝屬西突厥薛延陀部，唐屬北庭都護府葛邏祿部，宋屬乃蠻部，元屬窩闊臺封地，明屬亦力把里本部，清代原隸塔爾巴哈臺參贊大臣，光緒三十二年（1906年）劃歸阿爾泰辦事大臣管轄。民國5年（1916年）設吉木乃縣佐，歸布爾津知事署理。1930年設吉木乃縣，先后屬阿山行政區、阿山專區、阿勒泰專區。1970年屬阿勒泰地區。

1962年縣人民政府東遷到托普鐵熱克，始為縣城。1983年設托普鐵熱克鎮。

1997年，吉木乃縣面積8222平方千米，人口約3.4萬人，其中哈薩克族占61.2%，轄1個鎮、5個鄉：托普鐵熱克鎮、托普鐵熱克鄉、恰勒什海鄉、別斯鐵熱克鄉、托斯特鄉、喀爾交鄉。縣政府駐托普鐵熱克鎮。駐有新疆生產兵團農十師186團場和吉木乃口岸。（根據《中國政區大典》）

2000年第五次人口普查，吉木乃縣常住總人口35462人，其中：托普鐵烈克鎮10282人、吉木乃鎮2384人、托普鐵熱克鄉6164人、托斯特鄉4451人、恰勒什海鄉1143人、喀爾交鄉5037人、別斯鐵列克鄉3139人、兵團186團2862人。

2003年，吉木乃縣總面積7145.04平方千米，總人口37149人，轄2個鎮、5個鄉：托普鐵熱克鎮、吉木乃鎮、托普鐵熱克鄉、托斯特鄉、恰勒什海鄉、喀爾交鄉、別斯鐵熱克鄉。縣政府駐吉木乃鎮。

2010年第六次人口普查，吉木乃縣常住總人口35365人，其中：托普鐵熱克鎮10232人，吉木乃鎮2418人，托普鐵熱克鄉6347人，托斯特鄉4524人，恰勒什海鄉1149人，喀爾交鄉5075人，別斯鐵熱克鄉3203人，兵團一八六團2417人。

2014年10月21日，自治區政府（新政函[2014]188號）同意撤銷喀爾交鄉，設立喀爾交鎮。調整后，全縣3個鎮、4個鄉：托普鐵熱克鎮、吉木乃鎮、喀爾交鎮、托普鐵熱克鄉、托斯特鄉、恰勒什海鄉、別斯鐵熱克鄉。