1912年設縣。因漢代五原郡得名。五原郡因地有原五所，即龍游原、乞地千原、青領原、可嵐貞原、橫槽原而得名。

秦為九原郡地，漢為朔方郡地。清初為達拉特旗和 杭錦旗地，1903年歸五原廳。五原廳治所先后設在包頭、大余太、白圪梁、隆興昌。1912年置五原縣。1925年馮玉祥曾率部在五原“紅色誓師”響應北伐，據此一度稱義旗縣。

1996年?，五原縣面積2492平方千米，人口27.9萬人。轄4個鎮、17個鄉：隆興昌鎮、巴彥套海鎮、塔爾湖鎮、復興鎮、和勝鄉、勝豐鄉、榮豐鄉、城南鄉、美林鄉、沙河鄉、向陽鄉、錦旗鄉、什巴圪圖鄉、永利鄉、乃日拉圖鄉、海子堰鄉、銀定圖鄉、豐裕鄉、民族鄉、景陽林鄉、城關鄉。縣政府駐隆興昌鎮。

2000年第五次人口普查，五原縣總人口269082人，其中：隆興昌鎮73445人，塔爾湖鎮13484人，巴彥套海鎮13676人，復興鎮12668人，勝豐鄉11934人，和勝鄉10970人，向陽鄉12313人，城南鄉8294人，榮豐鄉8681人，沙河鄉10483人，美林鄉9854人，永利鄉10802人，什巴圪圖鄉9914人，銀定圖鄉9118人，海子堰鄉10151人，景陽林鄉5014人，民族鄉8803人，乃日拉圖鄉9511人，豐裕鄉10021人，錦旗鄉6465人，巴盟建豐農場2756人，內蒙五原勞教所725人。

2001年區劃調整后，全縣轄7個鎮、7個鄉：隆興昌鎮、塔爾湖鎮、套海鎮、復興鎮、新公中鎮、天吉太鎮、勝豐鎮、和勝鄉、城南鄉、向陽鄉、美林鄉、什巴鄉、海子堰鄉、銀定圖鄉；國營建豐農場。

2006年末，全縣總面積2492.9平方千米，轄7個鎮，總人口27.73萬人，其中農業人口200563人。2009年末，全縣總面積2492.9平方千米，轄7個鎮，總人口27.7萬人，其中農業人口20.6萬人。

2012年，（1）從巴彥套海鎮劃出部分區域，設置復興鎮。復興鎮面積154平方千米，人口2.1萬人，轄復興、永豐、民生、聯豐、和勝、順利、慶生、慶豐8個村。鎮政府駐鄔家地。巴彥套海鎮行政區劃調整后，面積328.9平方千米，人口2.3萬人，轄先進、紅旗、錦旗、錦繡堂、賽豐、和平、風雷、紅豐、南毛庵、向陽、永生、響導、紅賽13個村。鎮政府駐地不變。（2）從隆興昌鎮劃出部分區域，設置和勝鄉。和勝鄉面積120平方千米，人口1.3萬人，轄新建、新永、和義、和平、和勝、新豐、建豐7個村。鄉政府駐屯墾二隊。隆興昌鎮行政區劃調整后，面積384.9平方千米，人口11.7萬人，轄迎豐、烏蘭、榮義、東牛犋、永星、浩豐、義豐、榮豐、先鋒、舊城、聯樂、聯豐、宏偉、五星、聯合、永躍、同聯、新福、光明、隆盛、新興、和豐、躍進、榮譽24個村。鎮政府駐地不變。調整后，五原縣轄隆興昌鎮、塔爾湖鎮、巴彥套海鎮、新公中鎮、勝豐鎮、天吉泰鎮、銀定圖鎮、復興鎮、和勝鄉。