西周為京畿地。戰國為秦地。秦孝公十二年（公元前350年）秦都自櫟陽遷今市區東北22公里窯店鎮紀家道一帶，并置縣。《三輔黃圖》：“咸陽在九嵕山南、渭水北，山水俱陽，故名咸陽。”秦統一后，秦始皇仍都于此，前后為秦都144年。秦置內史，轄有咸陽縣。西漢分屬右扶風和左馮翊，高祖元年（公元前206年）改咸陽縣為新城縣，七年廢入長安；武帝建元二年（公元前139年）置茂陵縣，元鼎三年（公元前144年）置渭城縣，屬右扶風。西漢還在今市區北部置長陵、陽陵縣，屬左馮翊；安陵、平陵縣，屬右扶風。東漢廢渭城縣，長陵、陽陵改屬京兆尹，右扶風郡治由長安遷至槐里（今興平市東南5公里南佐村）。興平元年（194年）置新平郡，治漆縣（今彬縣）。三國魏長陵、安陵、陽陵三縣廢，改右扶風為扶風郡，郡治仍槐里。黃初元年（220年）改平陵為始平縣，茂陵縣并入。
西晉泰始三年（267年）析扶風郡地置始平郡，治槐里，扶風郡改為扶風國，治所由槐里遷郿縣（今眉縣東北15里）。西晉又置靈武縣于今咸陽市東。十六國后趙析始平、長安二縣地置石安縣，治今涇陽縣。前秦在長陵舊城置咸陽郡。北魏太平真君年間并始平郡入扶風郡，扶風郡治遷好畤（今乾縣東好畤村）。太和十一年（487年）于美陽縣（今咸陽市楊陵區）置武功郡；太和二十年咸陽郡治遷涇陽。永安元年（528年）在三原（今三原西北）置建忠郡。西魏于寧夷縣（今禮泉縣北）置寧夷郡，大統十四年（548年）于新平郡增設南豳州，廢帝三年（554年）南豳州改為豳州。西魏末寧夷郡改名秦郡。北周于云陽（今涇陽縣口鎮南長街一帶）置云陽郡，建德二年（573年）并靈武入石安，省武功郡、秦郡、建忠郡。隋開皇三年（583年）撤銷扶風、新平、咸陽、云陽四郡，廢石安入涇陽。大業二年（606年）撤銷豳州。義寧二年（618年）于新平縣（今彬縣）復設新平郡。
唐武德元年（618年）析涇陽、始平縣地于白起堡（今渭城區任家嘴）置咸陽縣，屬雍州；同年改新平郡為豳州；三年增設稷、泉二州，稷州治武功縣（今縣西北武功鎮），泉州治石門縣（今涇陽縣北）。貞觀元年（627年）撤銷稷、泉二州。天授二年（691年）增設鼎州，治云陽縣（今涇陽縣北云陽鎮），復設稷州。久視元年（700年）撤銷鼎州；大足元年（701年）撤銷稷州。開元十三年（725年）因“豳”、“幽”二字易混，改豳州為邠州。天寶元年（742年）改邠州為新平郡；乾元元年（758年）改郡復為邠州。乾寧二年（895年）以奉天縣（今乾縣）置乾州。北宋熙寧五年（1072年）廢乾州；政和七年（1117年）又以奉天縣置醴州。金天德三年（1151年）復名乾州。元代屬奉元路和邠州。明洪武四年（1371年）遷咸陽縣治于今址。明、清屬西安府。1913年撤州屬省。1914年屬關中道。1928年直屬省。
1948年以后，陜甘寧邊區在境內設立邠縣、咸陽、三原三個分區。1950年改為咸陽專區，轄咸陽、興平、邠縣、鄠縣、高陵、三原、涇陽、淳化、醴泉、栒邑、富平、耀縣、銅川十三縣。1952年析咸陽縣城區置咸陽市。1953年元月撤銷咸陽專區，咸陽市屬省。1958年并咸陽縣入咸陽市。1961年復置咸陽專區，轄咸陽市和興平、邠縣、鄠縣、高陵、三原、涇陽、淳化、醴泉、乾縣、永壽、栒邑、盩厔、長武十三縣。1964年因邠縣、鄠縣、醴泉、栒邑、盩厔用字生僻，改為彬縣、戶縣、禮泉、旬邑、周至。1966年咸陽市改屬西安市，1971年屬咸陽地區。1983年9月9日，國務院批準撤銷咸陽地區，咸陽市升為地級市。咸陽市設立秦都區。原咸陽地區的永壽縣、乾縣、長武縣、彬縣、興平縣、淳化縣、旬邑縣、禮泉縣、三原縣、涇陽縣和寶雞市的武功縣、楊陵區劃歸咸陽市管轄，原咸陽地區的戶縣、周至縣、高陵縣劃歸西安市。1984年6月地級咸陽市正式掛牌。1986年析秦都區東部地置渭城區。
1996年，咸陽市面積10213平方千米，人口463.6萬人。市政府駐秦都區。轄秦都、渭城、楊陵3個區，三原、涇陽、乾縣、禮泉、淳化、永壽、彬縣、長武、旬邑、武功10個縣，代管興平1個縣級市。1997年7月29日，國家級示范區楊凌農業高新產業示范區成立，楊陵區劃歸國家楊凌農業高新技術產業示范區管轄。
2000年第五次人口普查，咸陽市常住總人口4886003人。其中：秦都區449820人、楊陵區137941人、渭城區366099人、三原縣388842人、涇陽縣485791人、乾縣544846人、禮泉縣455278人、永壽縣187446人、彬縣313216人、長武縣167274人、旬邑縣261666人、淳化縣186867人、武功縣389394人、興平市551523人。
2004年末，咸陽市總人口489.8萬人，其中非農業人口101.9萬人。市區人口85萬人，其中非農業人口52萬人。轄秦都、渭城2區，興平1市和武功、三原、涇陽、乾縣、禮泉、永壽、彬縣、長武、旬邑、淳化10縣，共有轄13個街道、107個鎮、62個鄉。（不含楊陵區）
2010年第六次人口普查，咸陽市常住總人口5096001人，其中：秦都區507093人，楊陵區201172人，渭城區438327人，三原縣403524人，涇陽縣487749人，乾縣527088人，禮泉縣447771人，永壽縣184642人，彬縣323256人，長武縣167570人，旬邑縣261566人，淳化縣193377人，武功縣411312人，興平市541554人。
2012年末，咸陽市面積10282.6平方千米，戶籍人口5469143人，常住人口513.06萬人。2013年末，咸陽市共有27個街道、129個鎮，185個社區、2842個行政村，市政府駐秦都區。