秦、漢時為高奴縣地。西魏設安民縣，又析安民縣地在西部今文安驛置文安縣及文安郡。隋開皇三年（583年）文安縣改名延川縣，以境內吐延水（今清澗河）為名；安民縣改名吉萬縣，大業元年（605年）廢入上縣。據《元和郡縣志》：“取吐延川（即縣東秀延水）為名”。

唐武德二年（619年）在東部復設安民縣并析延川縣地增設修文、桑原二縣，在西部析延川縣地增設義門縣，后廢入延川、延水二縣。北宋熙寧八年（1075年）延水縣降為鎮，轄地并入延川縣，屬延州，元祐四年（1089年）后屬延安府。元屬延安路。明、清屬延安府。1914年屬榆林道。1928年直屬省。

1935年6月工農紅軍進入后，曾設赤光、延水兩縣，1937年撤銷并入延川縣。1950年5月屬綏德分區。1956年10月改屬延安專區。1958年12月撤銷延川縣，轄地并入延長縣。1961年9月以原轄區復設延川縣，屬延安專區。1968年屬延安地區。1996年屬延安市。

1950年5月，全縣設永坪、永勝、禹居、城市、延水、永遠6區，永坪區轄賀家崖、賀家渠、永坪、石油溝、岔口5鄉。永勝區轄寺村、田家川、賈家坪、太相寺、大張5鄉。禹居區轄唐家村、馬家灣、文安驛、馱家岔、劉坪店5鄉。城市區轄賀家灣、高家屹臺、城關、馬家溝、滑河5鄉。延水區轄眼岔寺、玉龍河、寺河、郭家崾崄、延水關5鄉。永遠區轄楊家圪臺、閣連、嶺上、土崗、阿占5鄉。

1952年6月，永遠區（六區）分為2個區，稱六區、七區。1953年5月，全縣轄7區40鄉。1961年，全縣設城關、永坪、馬家河、南河、稍道河、土崗、拓家川、張家河、眼岔寺、文安驛、禹居、官莊、賀家灣、賈家坪、馮家坪15個公社。1964年增設永坪鎮。1973年，永坪鎮、永坪公社合并。1984年4月，設15個公社，345個生產大隊，974個生產隊。

1984年5月，15個公社改為15個鄉；8月，城關、永平、張家河、文安驛鄉改為鎮建置，改城關鄉為延川鎮，增置高家屯鄉；9月，拓家川鄉更名為楊家圪臺鄉，增置黑龍關鄉；12月，張家河鎮更名為延水關鎮。全縣設延川、永坪、文安驛、延水關4鎮及黑龍關（縣城）、土崗、賀家灣、稍道河、南河（曹家圪）、馬家河、馮家坪、眼岔寺、禹居、楊家圪臺、賈家坪、關莊、高家屯（永坪）13鄉。1988年全縣共31351戶，134225人。

1996年，延川縣面積1941平方千米，人口40477戶，164465人人。轄4鎮13鄉：延川鎮、永坪鎮、文安驛鎮、延水關鎮、高家屯鄉、馮家坪鄉、賈家坪鄉、關莊鄉、禹居鄉、賀家灣鄉、眼岔寺鄉、南河鄉、馬家河鄉、楊家圪臺鄉、稍道河鄉、土崗鄉、黑龍關鄉，共有345個行政村、5個居委會。縣政府駐延川鎮。

1998年，楊家圪臺鄉改為楊家圪臺鎮，賈家坪鄉改為賈家坪鎮，禹居鄉改為禹居鎮，關莊鄉改為關莊鎮。調整后，延川縣轄8個鎮、9個鄉。

2000年第五次人口普查，延川縣常住總人口164902人，其中：延川鎮26858人，永坪鎮26634人，延水關鎮10660人，文安驛鎮5474人，楊家圪臺鎮5550人，賈家坪鎮9800人，禹居鎮9529人，關莊鎮10440人，高家屯鄉11980人，馮家坪鄉6256人，賀家灣鄉6194人，黑龍關鄉5892人，南河鄉3122人，馬家河鄉7257人，眼岔寺鄉7433人，稍道河鄉6369人，土崗鄉5454人。

2001年，撤銷黑龍關鄉并入延川鎮，撤銷稍道河鄉并入楊家圪臺鎮，撤銷南河鄉并入馬家河鄉。區劃調整后，延川縣轄8個鎮、6個鄉：延川鎮、永坪鎮、延水關鎮、文安驛鎮、楊家圪臺鎮、賈家坪鎮、禹居鎮、關莊鎮、高家屯鄉、馮家坪鄉、賀家灣鄉、馬家河鄉、眼岔寺鄉、土崗鄉。（346個行政村）

2010年第六次人口普查，延川縣常住總人口168375人，其中：延川鎮64454人，永坪鎮34747人，延水關鎮7557人，文安驛鎮4178人，楊家圪臺鎮6909人，賈家坪鎮5602人，禹居鎮6897人，關莊鎮7038人，高家屯鄉9173人，馮家坪鄉4070人，賀家灣鄉3644人，馬家河鄉6774人，眼岔寺鄉3944人，土崗鄉3388人。

2011年，撤銷馮家坪鄉、高家屯鄉并入永坪鎮，撤銷賀家灣鄉、眼岔寺鄉并入延川鎮。調整后，延川縣轄8個鎮、2個鄉：延川鎮、永坪鎮、延水關鎮、文安驛鎮、楊家圪臺鎮、賈家坪鎮、禹居鎮、關莊鎮、馬家河鄉、土崗鄉。

2012年末，延川縣面積1986.5平方千米，戶籍人口196709人，常住人口16.93萬人。2013年末，延川縣轄8個鎮、2個鄉，共有4個社區、346個行政村，縣政府駐延川鎮。

2015年，撤銷延川鎮，設立大禹街道；撤銷禹居鎮，并入文安驛鎮；撤銷馬家河鄉，將馬家河鄉的杜木塬、賀家河、木軍溝、安家塬、坡石河、格奴山渠6個村劃歸文安驛鎮，將賀家塬、上佛腰、下佛腰、梅家山、陽山河、瓦河、干家河、杜家河、滑河、普則塬10個村劃歸楊家圪坮鎮，將李家河、龐家河、中塬、小園則、寺河、圪圖河、李家遷、劉家、馬家河、高家塬、郭家河、干北塬、王家河、貫頭、牛木塬、古寺、玉龍河、王家塬、崾頭、玉龍塬、陳家河21個村劃歸延水關鎮，將南河、曹家圪嶗2個村劃歸大禹街道；撤銷土崗鄉，設立乾坤灣鎮；將楊家圪坮鎮的李家疙瘩、沙地、古里、仙蕓、上村、武家山、西塬、園則河、郭家塬、蘇豐、閆家山、寺羅、馮家塬、丁家山、巨木塬、馮家山16個村劃歸乾坤灣鎮。調整后，延川縣轄1個街道、8個鎮：大禹街道、永坪鎮、延水關鎮、文安驛鎮、楊家圪臺鎮、賈家坪鎮、禹居鎮、關莊鎮、乾坤灣鎮。