夏、商隸屬古雍州。秦設銅川護軍，屬內史地。西漢景帝二年（前155）開始設置縣，隸屬左馮翊。三國魏時隸屬北地郡。北魏太平真君七年（446）設置銅官縣，隸屬北地郡。北周建德四年（575），銅官縣改名同官縣，隸屬宜州。隋、唐曾隸屬雍州、京兆郡。從五代后唐同光三年（925）起，歷經宋、金、元、明、清，均隸屬耀州。民國初年，同官縣屬西安府。民國二年（1913年）屬陜西省關中道。1927年屬關中區。1936年7月屬陜西省第七行政督察區，1940年初屬第三行政督察區，1944年4月屬第二行政督察專員公署。1946年7月，因與“潼關”同音，治所又設在銅水之川，同官縣改稱銅川縣。1947年10月屬第三行政督察專員公署。

1948年5月，根據中共路東工委指示，成立同官縣政府，歸屬陜甘寧邊區政府領導；11月屬關中分區。1949年4月28日銅川全境解放，5月同官縣屬三原分區；7月7日縣名改稱銅川。1950年5月1日改屬咸陽專區。1953年1月20日，銅川縣直屬陜西省。1956年銅川縣移治十里鋪。1958年4月5日，國務院決定，撤銷銅川縣建制，成立銅川市，歸省管轄；11月1日，中共中央批準，撤銷富平縣、耀縣建制，將富平縣、耀縣的行政區域及宜君縣部分地方并入銅川市。1961年8月，中共陜西省委通知，恢復富平縣、耀縣建制，銅川市改屬渭南專區管轄。1966年8月1日，銅川市改為省轄市。

1980年1月1日，將蒲城縣的廣陽、高樓河、阿莊、肖家堡4個鄉和耀縣劃歸銅川市；同年5月1日，分設縣級建制的城區、郊區。1983年10月25日，將延安地區宜君縣劃歸銅川市。1992年7月創建銅川市新區；1993年11月經陜西省政府批準建設新區并享受省級經濟技術開發區的一切優惠政策。1996年，銅川市面積3882平方千米，人口80萬人，轄城區、郊區和耀縣、宜君2縣，市政府駐城區紅旗街。2000年1月7日，國務院批準，銅川市城區更名為王益區，郊區更名為印臺區。

2000年第五次人口普查，銅川市常住總人口792600人，其中：王益區190630人，印臺區213627人，耀縣295202人，宜君縣93141人。2001年底，全市轄2個區、2個縣，共有6個街道、24個鎮、19個鄉；其中新區管委會面積71.2平方千米，轄1個街道、1個鄉，即咸豐路街道（駐咸豐路）、下高埝鄉（駐下高埝）。

2002年6月18日，國務院批準（國函[2002]54號）：撤銷耀縣，設立銅川市耀州區，以原耀縣的行政區域為耀州區的行政區域，區政府駐城關鎮。2003年9月30日，國務院批準（國函[2003]103號）：銅川市政府駐地由王益區紅旗街遷移至耀州區正陽路。

2010年第六次人口普查，銅川市常住總人口834437人，其中：王益區200231人，印臺區217509人，耀州區325537人，宜君縣91160人。

2011年，王益區撤銷王家河鎮設立王家河街道。耀州區撤銷柳林鎮并入照金鎮，撤銷寺溝鎮設立錦陽路街道。印臺區撤銷玉華鎮并入金鎖關鎮，撤王石凹鎮設立王石凹街道。宜君縣撤銷雷塬鄉、堯生鄉合并設立堯生鎮。

2012年末，銅川市面積3881.1平方千米，戶籍人口853023人，常住人口84.08萬人。2013年末，銅川市共有13個街道、23個鎮、5個鄉，56個社區、543個行政村，市政府駐耀州區。

2015年，王益區撤銷王益鄉設立王益街道；印臺區撤銷高樓河鎮并入廣陽鎮，撤銷印臺鎮設立印臺街道；耀州區撤銷演池鄉并入石柱鎮，撤銷坡頭鎮設立坡頭街道；宜君縣撤銷西村鄉并入五里鎮，撤銷哭泉鄉設立哭泉鎮，撤銷城關鎮設立宜陽街道。調整后，全市共有17個街道、20個鎮、1個鄉。