漢為池陽縣地。前秦苻堅于縣西北（今淳化縣固賢鎮）置三原護軍，以其地南有豐原、西有孟侯原、北有白鹿原故名。北魏太平真君七年（446年）改置三原縣，永安元年（528年）三原縣治由今淳化縣固賢遷清水谷（今城關鎮西北15千米）。北周析東北部設華池縣，隋開皇三年（583年）撤銷華池縣。

唐武德四年（621年）三原縣遷治清水谷南故任城，并更名池陽縣；武德六年復遷治故地更名華池縣，并析縣境東北地另置三原縣，屬泉州。貞觀元年（627年）撤銷另置的三原縣，復改華池縣為三原縣，屬雍州；天授二年（691年）屬鼎州，大足元年（701年）屬雍州，開元元年（713年）屬京兆府。

五代梁屬大安府，五代唐屬耀州。北宋開寶九年（976年）三原縣治遷唐高祖獻陵附近；元至元二十四年（1287年）遷治龍橋鎮（今城關鎮）。明、清屬西安府。1914年屬關中道。1928年直屬省。

1949年在縣城設立陜甘寧邊區三原分區。1950年三原分區撤銷，三原縣改屬咸陽專區。1953年元月屬渭南專區。1956年直屬省。1958年將高陵、涇陽、淳化3縣并入，1961年析出3縣復為原三原縣。1961年屬咸陽專區。1968年屬咸陽地區。1983年屬咸陽市。

1996年，三原縣面積569平方千米，人口約38萬人。轄4鎮13鄉：城關鎮、魯橋鎮、西陽鎮、大程鎮、陵前鄉、徐木鄉、張家坳鄉、新莊鄉、嵯峨鄉、洪水鄉、獨李鄉、新興鄉、陂西鄉、高渠鄉、安樂鄉、渠岸鄉、馬額鄉。縣政府駐城關鎮。

1997年，陵前鄉改為陵前鎮，陂西鄉改為陂西鎮，獨李鄉改為獨李鎮，新興鄉改為新興鎮，馬額鄉改為馬額鎮，安樂鄉改為安樂鎮。調整后，三原縣轄10個鎮、7個鄉。

2000年第五次人口普查，三原縣常住總人口388842人，其中：城關鎮60418人，安樂鎮17766人，陂西鎮27206人，獨立鎮24200人，大程鎮26848人，西陽鎮23466人，魯橋鎮25715人，陵前鎮29827人，馬額鎮17532人，新興鎮19420人，高渠鄉19692人，渠岸鄉24356人，新莊鄉19864人，徐木鄉15299人，張家坳鄉10464人，嵯峨鄉17995人，洪水鄉8770人。

2001年，撤銷新莊鄉并入城關鎮，撤銷張家坳鄉并入新興鎮，撤銷洪水鄉并入嵯峨鄉。調整后，三原縣轄10個鎮、4個鄉：城關鎮、安樂鎮、陂西鎮、獨李鎮、大程鎮、西陽鎮、魯橋鎮、陵前鎮、馬額鎮、新興鎮、高渠鄉、渠岸鄉、徐木鄉、嵯峨鄉。（336個村）

2006年，三原縣總面積577平方千米, 總人口39.84萬人。轄城關、安樂、 陂西、獨李、魯橋、西陽、大程、陵前、馬額、新興10個鎮，高渠、渠岸、徐木、嵯峨4個鄉，207個行政村、9個社區。

2010年第六次人口普查，三原縣常住總人口403524人，其中：城關鎮111190人，安樂鎮15772人，陂西鎮27314人，獨李鎮22480人，大程鎮24615人，西陽鎮22684人，魯橋鎮24871人，陵前鎮28536人，馬額鎮15399人，新興鎮27865人，高渠鄉17330人，渠岸鄉30928人，徐木鄉13535人，嵯峨鄉21005人。

2011年，撤銷徐木鄉并入大程鎮，撤銷高渠鄉并入城關鎮，撤銷馬額鎮并入陵前鎮，撤銷嵯峨鄉設立嵯峨鎮，撤銷渠岸鄉設立渠岸鎮。調整后，三原縣轄11個鎮：城關鎮、安樂鎮、陂西鎮、獨李鎮、大程鎮、西陽鎮、魯橋鎮、陵前鎮、新興鎮、嵯峨鎮、渠岸鎮。

2012年末，三原縣面積576.6平方千米，戶籍人口423591人，常住人口40.66萬人。2013年末，三原縣轄11個鎮，共有10個社區、208個行政村，縣政府駐城關鎮。

2015年，撤銷城關鎮，設立城關街道；撤銷安樂鎮，并入陂西鎮。調整后，三原縣轄1個街道、9個鎮：城關街道、陂西鎮、獨李鎮、大程鎮、西陽鎮、魯橋鎮、陵前鎮、新興鎮、嵯峨鎮、渠岸鎮。