先秦屬古滇國地。西漢屬益州郡毋棳縣地。三國蜀漢屬益州興古郡西豐縣地。西晉至南朝梁屬寧州興古郡毋棳縣地。北朝周屬南寧州。隋屬南寧州總管府。唐初屬劍南道姚州；唐南詔國置通海鎮，啟通海人文之風，屬通海都督轄地。宋大理國屬秀山郡。元憲宗六年（1256）通海置千戶所，屬善闡萬戶；至元十三年（1276）改通海千戶所為通海縣，屬臨安路寧海府（同年降為寧州）；二十七年（1280）直屬臨安路，后復屬寧州，為臨安路駐地。至元十三年（1276），將原大理國阿僰部休臘地置河西州，至元二十六年（1289）改為河西縣，屬臨安路。

明洪武十五年（1382）通海、河西兩縣直屬臨安府，府駐地移駐建水縣。清初沿明制，通海、河西縣屬臨安府。雍正八年（1730）7月，臨安府屬迤東道。乾隆三十一年（1766）10月，臨安府屬迤南道。光緒十三年（1887）10月，臨安府屬臨安開廣道。民國2年（1913）通海、河西縣均屬蒙自道。民國18年（1929）廢道直屬省。民國37年（1948）通海、河西縣均屬云南第五行政督察區（駐建水縣）。

1949年12月13日，通海縣和平解放；1949年12月10日，河西縣正式解放。通海、河西縣均屬玉溪專區。1953年2月，將華寧縣興義鄉（包括新寨、香樹營、義廣哨、大義廣、馬家灣、窯沖、四家村）共21平方千米劃歸通海縣。1956年11月16日，國務院全體會議第40次會議決定：撤銷河西、通海2個縣，設置杞麓縣；以原河西、通海2縣的行政區域為杞麓縣的行政區域；縣人民委員會駐原通海縣城（一說為：1958年10月，華寧縣與杞麓縣合并為通海縣，駐今通海縣秀山鎮。1959年10月，從通海縣分出恢復華寧縣）。1960年1月4日國務院批準：將杞麓縣改名為通海縣，屬玉溪專區。1970年屬玉溪地區，1997年屬玉溪市。

1997年，全縣轄6個鎮、3個鄉：秀山鎮、河西鎮、四街鎮、楊廣鎮、九街鎮、納古回族鎮、興蒙蒙古族鄉、里山彝族鄉、高大傣族彝族鄉。縣政府駐秀山鎮。

2000年第五次人口普查，通海縣常住總人口275063人，其中：秀山鎮31799人，楊廣鎮58862人，九街鎮58169人，河西鎮48558人，四街鎮41457人，納古鎮11162人，里山彝族鄉8412人，高大傣族彝族鄉11014人，興蒙蒙古族鄉5630人。

2000年末，通海縣轄6個鎮、3個鄉：秀山鎮、河西鎮、四街鎮、楊廣鎮、九街鎮、納古鎮、里山彝族鄉、高大傣族彝族鄉、興蒙蒙古族鄉。全縣總人口26.3萬人，其中非農業人口3.29萬人。少數民族人口占總人口的14%，其中5000人以上的有漢、彝、回、蒙古4個民族。興蒙鄉是蒙古族在云南的唯一聚居地。境內人口密度365人/平方千米。

2002年1月10日，據云南省人民政府《關于通海縣調整部分鄉鎮行政區劃的批復》（云政復[2002]2號）和玉溪市人民政府《關于通海縣調整部分鄉鎮行政區劃的通知》精神，將通海縣九街鎮管轄的萬家、大樹、六一、金山、長河5個村委會（國土面積25.66平方千米，人口23007人）和楊廣鎮管轄的城郊、東村、黃龍3個村委會（國土面積17.81平方千米，人口13106人）劃為秀山鎮管轄。3月25日，通海縣部分鄉鎮行政區劃調整工作正式啟動。10月28日，玉溪市人民政府下發《關于通海縣河西鎮東渠村委會更名為大回村委會的批復》，同意河西鎮東渠村委會更名為大回村委會，更名后原行政村管轄的行政區域、隸屬關系不變（2003年7月22日正式實施更名）。

2002年末，全縣有6鎮3鄉，即：秀山鎮、河西鎮、四街鎮、九街鎮、楊廣鎮、納古鎮、里山彝族鄉、興蒙蒙古族鄉及高大傣族彝族鄉，下屬65個村民委員會和4個社區居民委員會，530個村（居）民小組，360個自然村。全縣有總人口265457人，總戶數75320戶，總人口比上年增加1110人，增0.42%。總人口中，男性130981人，占總人口的49.34%；女性134476人，占總人口的50.66%。農業戶63179戶，農業人口231320人，占總人口的87.14%；非農業戶12141戶，非農業人口34137人，占12.86%；少數民族人口37139人，占總人口的13.99%。

2010年第六次人口普查，通海縣常住總人口300800人，其中：秀山鎮80299人，楊廣鎮48512人，九街鎮35822人，河西鎮50423人，四街鎮44797人，納古鎮16148人，里山鄉8734人，高大鄉10547人，興蒙鄉5518人。

2011年，撤銷秀山鎮、九街鎮，設立秀山街道、九龍街道。調整后，通海縣轄2個街道、4個鎮、3個鄉：秀山街道、九龍街道、楊廣鎮、河西鎮、四街鎮、納古鎮、里山彝族鄉、高大傣族彝族鄉、興蒙蒙古族鄉。縣政府駐秀山街道。