石首市因“有石孤立”于城區江邊、以石為首而得名。西晉太康五年（284年）置石首縣。南北朝元嘉年中（約444年左右），廢石首入華容。唐高祖武德四年（621年）復置石首縣，屬山南道江陵府。宋屬荊湖北路江陵府；乾德三年（965年）于白舊巡院置建寧縣，來屬江陵府。熙寧六年（1073年）省入石首縣為建寧鎮（今石首市調關鎮槎港山），元祐元年（1086年）仍置建寧縣，崇寧五年（1106年）又廢建寧分別入石首、華容。元屬河南江北行省荊南府。至元十三年（1276年）升江陵路，天歷二年（1329年）更名中興路。明屬湖廣行省荊州府；清屬湖北省荊州府。

民國元年（1912年），裁荊州府，石首屬省直轄。1913年，湖北分道，石首屬荊宜施鶴道。1914年，改為荊南道，石首屬之。1915年，屬荊宜道。1927年，又屬省轄。1932年，屬省第七行政督察區。1936年，改屬省第四行政督察區。1949年屬沔陽專區，1951年屬荊州專區。1955年析縣境西北部分地另置荊江縣。1970年屬荊州地區。1986年5月27日，國務院批準撤銷石首縣，設立石首市（縣級）。1994年由荊沙市（1996年更名為荊州市）代管。

1950年12月20日，中南軍政委員會批準將石首縣的岳軍鄉、東南垸劃歸湖南省華容縣；石首縣的合安垸、彭邱垸、永合垸劃歸湖南省安鄉縣；湖南省安鄉縣的附化垸、豬曹垸、新成垸、河北垸、同仁垸等劃歸湖北省石首縣、公安縣；湖南省華容縣的北面上津湖以南、楊家嶺、五谷廟以北劃歸湖北省石首縣。

1966年勘定湖南省華容縣東山公社與湖北省石首縣桃花山公社自望夫山至昂頭山地區的行政區域界線；自昂頭山頂東向沿溴溝（即昂頭山和靈官廟之間的東向主要水溝）直下至路南口，以溪溝為界，溝以北屬石首縣，溝以南除石首桃花山林場抱雞母窩生產組（現有房屋附近50畝）仍屬石首外，其余均屬華容縣；自路南口經易家山至望夫山，以分水嶺為界，分水嶺以北屬石首縣，分水嶺以南屬華容縣（韓家沖地區界線，由雙方代表在進行勘測時，協商解決）（國務院1966年1月7日批準）。

1996年，石首市面積1427平方千米，人口約62萬人。轄3個街道、9個鎮、4個鄉：筆架山街道、繡林街道、東方街道、新廠鎮、橫溝市鎮、小河口鎮、桃花山鎮、調關鎮、滑家垱鎮、高基廟鎮、南口鎮、團山寺鎮、人民大垸鄉、焦山河鄉、久合垸鄉、茅草街鄉。市政府駐繡林。

1997年，茅草街鄉撤鄉建鎮，并更名為高陵鎮。？年，撤銷東方街道，設立東方鎮。至此，石首市轄2個街道、11個鎮、3個鄉。

2000年第五次人口普查，石首市總人口602649人，其中：繡林街道71472人，筆架山街道49129人，新廠鎮42332人，橫溝市鎮37831人，小河口鎮31363人，桃花山鎮23611人，調關鎮45052人，東升鎮37280人，東方鎮17790人，高基廟鎮40436人，南口鎮28177人，高陵鎮34580人，團山寺鎮29760人，人民大垸鄉53614人，焦山河鄉23703人，久合垸鄉25830人，天鵝洲經濟開發區10689人。

2001年3月，筆架山街道與東方鎮合并成立筆架山街道。2002年，大垸鄉撤鄉設鎮。2004年，撤銷焦山河鄉，并入東升鎮。2004年末，石首市總人口614106人，轄2個街道、11個鎮、1個鄉，26個居委會、284個村委會。

2005年末，石首市轄繡林、筆架山2個街道，新廠、橫溝市、小河口、桃花山、調關、東升、高基廟、南口、高陵、團山寺、大垸11鎮和久合垸鄉。共有29個居委會、274個村委會。

2010年第六次人口普查，石首市常住總人口577022人，其中：繡林街道75395人，筆架山街道83068人，新廠鎮36342人，橫溝市鎮36051人，大垸鎮49320人，小河口鎮27278人，桃花山鎮21848人，調關鎮38901人，東升鎮53184人，高基廟鎮35237人，南口鎮27252人，高陵鎮29776人，團山寺鎮29045人，久合垸鄉24708人，天鵝洲開發區9617人。