傣語“西雙版納”直譯為“十二千塊田”，實際上是指十二個行政區域。傣家人說西雙版納古時稱為“勐巴納西”，意思是“一塊神奇、美好的理想國土”。西漢屬哀牢部。東漢屬鳩僚部。三國蜀漢屬永昌郡。東晉屬寧州郡。隋屬仆部地。西晉到唐后期（476～902）為部落聯盟，傣稱“泐西雙邦”（即傣泐十二部落），號稱勐泐國，都于景德。唐設茫乃道，屬南詔開南節度。宋紹興三十年（1160）傣族首領帕雅真統一各部，建景隴王國，屬大理國。元代設徹里路軍民總管府，屬云南行中書省。

明為車里軍民宣慰使司，屬云南布政使司。清為車里宣慰使司，屬云南行省元江直隸州，后屬普洱府。1913年設普思沿邊行政總局，轄七個區分局和一行政區，先后屬滇南道和醬洱道。1927年始設車里、佛海、五福（南嶠）、象明、普文、蘆山（六順）、鎮越等七縣和臨江行政區，屬普洱道，1948年屬第七區行政督察專員公署（駐普洱）。1950年全境解放，建立人民政權，屬寧洱專區。

1953年1月23日建立西雙版納傣族自治區，自治區政府駐車里縣景洪。原屬思茅專區的車里（駐景洪）、鎮越（駐易武）、佛海（駐勐海）、南嶠（駐勐遮）4縣，寧江縣的勐阿、勐旺2縣，思茅縣的普文區，江城縣的整董鄉等劃入西雙版納傣族自治區。1954年，西雙版納傣族自治區政府駐地車里縣景洪改為允景洪，撤銷車里、鎮越、佛海、南嶠4縣，改設版納景洪、版納勐海、版納勐旺、版納易武、版納勐捧、版納勐混、版納勐遮、版納勐養、版納勐臘、版納勐龍、版納勐阿、版納曼敦等12版納（均相當于區級）及格朗和哈尼族自治區、易武瑤族自治區與布朗山區。

1957年設立西雙版納傣族自治州，自治州人民委員會駐允景洪，轄版納景洪（駐允景洪，由原版納景洪、版納勐龍、版納勐養和版納勐旺的勐醒、勐旺、整董改設）、版納易武（駐易武，由原版納易武、易武瑤族自治區和版納易武的倚邦改設）、版納勐臘（駐勐臘，由原版納勐臘、版納勐捧改設）、版納勐海（駐勐海，由原版納勐海、版納勐混、版納勐阿、格朗和哈尼族自治區及布朗山區改設）、版納勐遮（駐勐遮，由原版納勐遮、版納曼敦改設）等5版納。

1958年，版納景洪、版納易武、版納勐臘、版納勐海、版納勐遮分別改為景洪縣、易武縣、勐臘縣、勐海縣、勐遮縣。1959年，撤銷易武縣，并入勐臘縣；撤銷勐遮縣，并入勐海縣；西雙版納傣族自治州轄3縣。1993年12月撤銷景洪縣，設立景洪市。至此，西雙版納傣族自治州轄1市、2縣。

2000年第五次人口普查，西雙版納傣族自治州常住總人口993397人，其中：景洪市443672人、勐海縣314068人、勐臘縣235657人。

2004年9月30日，《關于調整西雙版納州部分鄉鎮行政區劃的批復》（云政復[2004]95號）：①撤銷景洪市小街鄉和勐龍鎮，合并設立勐龍鎮，鎮政府駐原勐龍鎮政府駐地；②撤銷景洪市景洪鎮，將其原納板、曼點、曼沙、曼邁、曼戈播5個村委會劃歸嘎灑鎮管轄，曼外、曼戈龍2個村委會劃歸允景洪街道辦事處管轄；③撤銷勐海縣西定哈尼族鄉和巴達哈尼族布朗族鄉，合并設立西定哈尼族布朗族鄉，鄉政府駐原西定哈尼族鄉政府駐地；④撤銷勐臘縣易武鄉和曼臘彝族瑤族鄉，合并設立易武鄉，鄉政府駐原易武鄉政府駐地；⑤撤銷勐臘縣勐捧鎮和勐潤哈尼族鄉，合并設立勐捧鎮，鎮政府駐原勐捧鎮政府駐地。2004年，根據州人民政府《西雙版納州關于調整全州部分鄉鎮行政區劃的通知》：景洪市撤銷小街鄉、景洪鎮，原小街鄉管轄的行政區域劃歸勐龍鎮管轄，原景洪鎮的納板、曼點、曼沙、曼邁、曼戈播5個村委會劃歸嘎灑鎮管轄，將曼外、曼戈龍2個村委會劃歸允景洪街道辦事處管轄；勐海縣撤銷西定哈尼族鄉和巴達哈尼族布朗族鄉，合并設立西定哈尼族布朗族鄉。新設立的西定哈尼族布朗族鄉管轄原來西定哈尼族鄉和巴達哈尼布朗族鄉的行政區域，隸屬關系不變，鄉政府駐原西定哈尼族鄉政府駐地；勐臘縣撤銷曼臘彝族瑤族鄉、勐潤哈尼族鄉，原曼臘彝族瑤族鄉管轄的行政區域劃歸易武鄉管轄，原勐潤哈尼族鄉管轄的行政區域劃歸勐捧鎮管轄。

2006年末，西雙版納州轄1個縣級市、2個縣，1個街道、18個鎮、6個鄉、7個民族鄉，24個居委會、218個村委會。

2010年第六次人口普查，西雙版納傣族自治州常住總人口1133515人，其中：景洪市519935人，勐海縣331850人，勐臘縣281730人。