原名劉壩，相傳漢留侯張良辟谷壩西紫柏山下，后人諧名留壩，后以名縣。清乾隆三十年（1765年）正月分鳳縣和褒城二縣地于今城關鎮置留壩廳，屬漢中府。1913年罷廳設留壩縣。1914年屬漢中道。1928年直屬省。

1949年屬陜南行署區。1951年屬南鄭專區。1953年屬漢中專區。1958年撤銷縣制，轄地劃歸鳳縣和漢中市。1961年除榆林鋪、碾子壩外，以原劃入鳳縣的地域和漢中市的馬道公社為轄區，復設留壩縣，屬漢中專區。1969年屬漢中地區。1996年屬漢中市。

1996年，東溝鄉、鮮家壩鄉并入馬道鎮，南河鄉、姜窩子鄉、鐵佛殿鄉合并設立武關驛鎮，閘口石鄉、廟臺子鄉合并設立留侯鎮，柳川鄉、柘梨園鄉并入江口鎮，獅子壩鄉并入玉皇廟鄉。

1997年末，全縣面積1958.2平方千米。總戶數12725戶，總人口44995人，其中農業戶9740戶，農業人口38255人。轄5鎮5鄉：城關鎮、馬道鎮、武關驛鎮、留侯鎮、江口鎮、青橋驛鄉、火燒店鄉、石門鄉、玉皇廟鄉、桑園壩鄉。（100個行政村）

2000年第五次人口普查，留壩縣常住總人口46294人，其中：城關鎮11065人、馬道鎮5381人、武關驛鎮5727人、留侯鎮3196人、江口鎮7713人、青橋驛鄉2388人、火燒店鄉3511人、石門鄉1735人、玉皇廟鄉3520人、桑元鄉2058人。

2001年，撤銷石門鄉并入玉皇廟鄉。2001年末，全縣人口45545人。轄5個鎮、4個鄉：城關鎮、馬道鎮、武關驛鎮、留侯鎮、江口鎮、青橋驛鄉、火燒店鄉、玉皇廟鄉、桑園壩鄉。

2010年第六次人口普查，留壩縣常住總人口43398人，其中：城關鎮10746人，馬道鎮5094人，武關驛鎮5145人，留侯鎮2988人，江口鎮7171人，青橋驛鄉1947人，火燒店鄉3070人，玉皇廟鄉5140人，桑元壩鄉2097人。

2011年，撤銷桑園壩鄉并入江口鎮，撤銷玉皇廟鄉設立玉皇廟鎮，撤銷火燒店鄉設立火燒店鎮，撤銷青橋驛鄉設立青橋驛鎮。調整后，留壩縣轄8個鎮：城關鎮、馬道鎮、武關驛鎮、留侯鎮、江口鎮、青橋驛鎮、火燒店鎮、玉皇廟鎮。

2012年末，留壩縣面積1951.3平方千米，戶籍人口43571人，常住人口4.34萬人。2013年末，留壩縣轄8個鎮，共有1個社區、98個行政村，縣政府駐城關鎮。

2015年，撤銷城關鎮，設立紫柏街道。撤并23個行政村，保留75個行政村。調整后，留壩縣轄1個街道、7個鎮。