秦、漢時為高奴縣地。西魏廢帝元年（552年）在西部邱頭原設廣安縣，又置義鄉縣，并于清水下游設延安縣。北周大象元年（579年）析云巖、汾川二縣地在今縣東部門山村置門山縣，屬樂川郡。隋仁壽元年（601年）為避太子楊廣名諱，改廣安縣為延安縣；大業中廢義鄉、門山二縣。

唐武德二年（619年）復設義鄉縣，增設齊明縣；三年復設門山縣，屬延州。貞觀二年（628年）廢義鄉、齊明二縣。廣德二年（764年）取“延水長流”之意改延安縣為延長縣，屬延州。據清雍正《陜西通志》：“延長，唐縣名。延水經延長入河，故以名縣。”宋屬延安府。蒙古至元六年（1269年）再廢門山縣。1914年屬榆林道。1928年直屬省。

1937年9月陜甘寧邊區在此設立固臨（固林）縣，1948年廢固臨縣入延長縣。原屬陜北行政區。1950年5月改屬延安分區，10月屬延安專區。1958年12月撤銷延川縣，轄地并入延長縣。1961年9月原延川縣轄地劃出復設延川縣。1968年屬延安地區。1996年屬延安市。

1950年，延長縣設一、二、三、四、五、六6區，共33鄉。一區駐郭旗，轄岳口、彭家圪臺、張家渠子、王良寺、鄭莊、沙灘坪6鄉。二區駐縣城，轄孫家河、寺河、城市、西河子口、關子口、林坬6鄉。三區駐交口，轄關義田、交口、房家原、金盆4鄉。四區駐張家灘，轄董家河、書貝、于家村、母生、阿青5鄉。五區駐安河，轄李家窯科、西渠、古渡甸、木芽、車村、安河6鄉。六區駐趙家河，轄巷口、郭家、呼家、太留、縣西、神頭6鄉。

1958年12月，延川縣并入延長縣后，全縣設城關、鄭莊、黑家堡、安溝、張家灘、雷赤、呼家、西渠（滴水崖）、安河、延川鎮、張家河、稍道河、交口、文安驛、賈家坪、關莊、永坪17個公社。1961年9月，延川縣恢復，北部劃歸延川縣；延長縣設城關、七里村、鄭莊、郭旗、黑家堡、劉家河、交口、安溝、張家灘、趙家河、雷赤、南河溝、安河、羅子山14個公社。

1984年撤社改鄉（鎮），全縣設延長、鄭莊、交口、張家灘4鎮，黑家堡、郭旗、七里村、劉家河、安溝、趙家河、雷赤、南河溝、安河、羅子山10鄉，共286個村委會、13個居委會。

1996年，延長縣面積2295平方千米，人口35140戶，138564人。轄4鎮10鄉：延長鎮、張家灘鎮、鄭莊鎮、交口鎮、七里村鄉、黑家堡鄉、劉家河鄉、安溝鄉、趙家河鄉、安河鄉、羅子山鄉、南河溝鄉、雷赤鄉、郭旗鄉，共288個村委會、18個居委會。縣政府駐地延長鎮。

1998年，安河鄉改為安河鎮，黑家堡鄉改為黑家堡鎮，七里村鄉改為七里村鎮。調整后，延長縣轄7個鎮、7個鄉。

2000年第五次人口普查，全縣總人口128551人，其中：延長鎮23633人，七里村鎮15860人，黑家堡鎮11257人，鄭莊鎮7093人，張家灘鎮11014人，交口鎮9472人，安河鎮7449人，郭旗鄉5480人，劉家河鄉5400人，安溝鄉7870人，趙家河鄉2118人，雷赤鄉6041人，南河溝鄉6249人，羅子山鄉5830人，七里村油礦3785人。

2001年，撤銷延長鎮、七里村鎮設立新的七里村鎮，撤銷趙家河鄉并入張家灘鎮。區劃調整后，延長縣轄6個鎮、6個鄉：七里村鎮、黑家堡鎮、鄭莊鎮、張家灘鎮、交口鎮、安河鎮、郭旗鄉、劉家河鄉、安溝鄉、羅子山鄉、雷赤鄉、南河溝鄉。（288個行政村）

2011年，撤銷安河鎮、羅子山鄉合并設立羅子山鎮，撤銷南河溝鄉、雷赤鄉合并設立雷赤鎮，撤銷劉家河鄉并入交口鎮。調整后，延長縣轄7個鎮、2個鄉：七里村鎮、黑家堡鎮、鄭莊鎮、張家灘鎮、交口鎮、羅子山鎮、雷赤鎮、郭旗鄉、安溝鄉。