“勐海”系傣語，古名“勐咳（hai）”，意為丟失獵犬的平壩地方。傣族首領召孩征服土著民族后，改稱“勐孩”，衍為“勐海”，意為勇敢的人住的平壩地方。“勐”意為“平壩”和“地區”。“海”一說意為“厲害”或“惡”，此說恐誤。一說縣內有湖，故名“海”。

漢代前，隸屬昆明、嵩部落，是“西南夷”的一部分。西漢，隸屬益州郡。東漢光和年間，劃歸永昌郡。唐南詔時，隸銀生節度。宋代屬景隴王國，宋淳熙七年(1180年)，境內設九勐土司地。元代屬徹里路軍民總管府。明屬車里宣慰使司，明隆慶四年（1570年），宣慰使召應勐將轄區劃為十二版納，本縣境內設四個版納。清朝，沿襲明制。清順治十八年（1661年），境內重置九勐土司地。民國元年（1912年），改設勐海、勐遮、勐混3個區。

民國二年（1913年），置第三區行政分局，屬普思沿邊行政總局。境內設勐遮、勐混（實駐勐海）兩個區。民國十六年（1927年），改區設佛海縣、南嶠縣、寧江設治局，屬普洱道。1950年2月17日，境內解放，3月置佛海縣，屬寧洱專區。1953年置版納勐海，屬西雙版納傣族自治區（州），1958年改為勐海縣，1959年勐遮縣并入勐海縣，屬西雙版納自治州。（一說為：1929年設佛海縣，1954年改版納勐海，1960年改勐海縣）

1996年，面積5511平方千米，人口約28.5萬人，其中傣族占37.5%。轄2鎮12鄉：象山鎮、打洛鎮、勐海鄉、勐遮鄉、勐混鄉、勐宋鄉、勐往鄉、勐阿拉祜族鄉、勐滿拉祜族哈尼族布朗族鄉、勐岡哈尼族布朗族鄉、格朗和哈尼族鄉、西定哈尼族鄉、巴達布朗族哈尼族鄉、布朗山布朗族鄉。縣政府駐象山鎮。

2000年第五次人口普查，勐海縣常住總人口314068人，其中：象山鎮31280人、打洛鎮24897人、勐海鄉24500人、勐宋鄉21906人、勐阿鄉24897人、勐往鄉13701人、勐混鄉27114人、格朗和鄉15641人、布朗山鄉18358人、勐遮鄉60330人、勐滿鄉19862人、西定鄉14137人、巴達鄉9957人、勐岡鄉7488人。

2001年，全縣轄2個鎮、5個鄉、7個民族鄉：象山鎮、打洛鎮、勐遮鄉勐海鄉、勐混鄉、勐阿拉祜族鎮、勐滿拉祜族哈尼族布朗族鎮、勐往鄉、勐宋鄉、西定哈尼族鄉、格朗和哈尼族鄉、巴達布朗族哈尼族鄉、勐岡哈尼族布朗族鄉、布朗山布朗族鄉。

2002年3月18日，省政府（云政復[2002]15號）批準：撤銷勐海縣象山鎮、勐海鄉，設立勐海鎮，鎮政府駐原象山鎮政府駐地。3月20日，省政府（云政復[2002]26號）批準：撤銷勐海縣勐岡哈尼族布朗族鄉，將勐岡哈尼族布朗族鄉曼令、南楞兩個村委劃歸勐遮鄉管轄，將曼岡、拉巴廳兩個村委劃歸勐混鄉管轄。7月23日，省政府批準：勐混鄉撤鄉設鎮。8月12日，省政府批準：撤銷勐遮鄉、勐滿拉祜族布朗族鄉、勐阿拉祜族鄉，分別設立勐遮鎮、勐滿鎮和勐阿鎮。

2003年末，勐海縣轄6個鎮、6個鄉：打洛鎮、勐海鎮、勐混鎮、勐遮鎮、勐阿鎮、勐滿鎮、勐往鄉、勐宋鄉、格朗和哈尼族鄉、布朗山布朗族鄉、西定哈尼族鄉、巴達布朗族哈尼族鄉。下設個85村民委員會、3個居民社區。全縣總人口為29.61萬人，其中非農業人口4.68萬人，農業人口24.93萬人；少數民族人口25.56萬人，占總人口的86.32％。

2004年9月30日，省政府（云政復[2004]95號）批準：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。

2006年，勐海縣總面積5511平方千米。總人口32.73萬人。轄6個鎮、5個鄉（其中3個民族鄉）：勐海鎮、打洛鎮、勐混鎮、勐遮鎮、勐滿鎮、勐阿鎮、勐宋鄉、勐往鄉、格朗和哈尼族鄉、布朗山布朗族鄉、西定哈尼族布朗族鄉；黎明農場。共有4個居員會、85個行政村。縣政府駐勐海鎮。

2010年第六次人口普查，勐海縣常住總人口331850人，其中：勐海鎮70828人，打洛鎮26770人，勐混鎮30944人，勐遮鎮63519人，勐滿鎮19450人，勐阿鎮23531人，勐宋鄉23015人，勐往鄉14631人，格朗和鄉15173人，布朗山鄉20274人，西定鄉23715人。