秦代屬西城縣，漢代和三國時期屬安陽縣。東晉永和三年（347年）于王水口置長樂縣，兼為晉昌郡治。南朝宋廢長樂縣，齊復設，梁移治東陽川（今城關鎮）。北魏延昌三年（514年）改長樂縣為永樂縣；孝昌三年（527年）于縣東南池河堡（今池河鎮）分設直城縣，兼為金城郡治。西魏改晉昌郡為魏昌郡，廢帝元年（552年）改永樂縣為石泉縣，以縣北（今縣治南）有石泉，其水清冽，四時不涸得名。《讀史方輿紀要》石泉縣：“石泉在縣治南，其水清冽，四時不竭，流入漢水。縣因以名。”于縣南梅湖街（今喜河街）分置魏寧縣。后石泉縣還治王水口。

北周廢魏昌郡，安康縣移治漢江南岸石泉嘴（今藕陽鄉石泉嘴、漢陰縣漢陽坪），并省直城縣入安康縣。保定三年（563年）石泉縣治復遷東陽川，天和三年（568年）省魏寧縣入石泉縣。隋開皇初廢忠誠郡、安康郡、金城郡及直城縣。唐圣歷元年（698年）改石泉縣為武安縣，神龍元年（705年）復名石泉縣，至德二年（757年）改安康縣為漢陰縣。大歷六年（771年）省石泉縣入漢陰縣，貞元元年（785年）復設石泉縣，屬金州。南宋紹興二年（1132年）移漢陰縣于今漢陰縣。

元至元年間廢石泉縣，明洪武三年（1370年）復設石泉縣至今。初屬四川大寧州，五年仍屬金州；嘉靖三十八年（1559年）屬漢中府，萬歷十一年（1583年）屬興安州。清屬興安府。1914年屬漢中道。1928年直屬省。1949年11月30日解放，屬安康分區。1950年屬安康專區。1958年撤銷漢陰、寧陜二縣并入石泉縣。1961年以原劃入區域復設漢陰、寧陜二縣，屬安康專區。1969年屬安康地區。2000年屬安康市。

1995年，石泉縣面積1525平方千米，人口約18.2萬人。轄3鎮26鄉：城關鎮、后柳鎮、池河鎮、長水鄉、麥坪鄉、喜河鄉、藕陽鄉、鳳陽鄉、長陽鄉、合溪鄉、中壩鄉、饒峰鄉、興坪鄉、兩河鄉、菩窯鄉、古堰鄉、銀龍鄉、銀橋鄉、石磨鄉、長安壩鄉、曾溪鄉、左溪鄉、后池鄉、云川鄉、紅衛鄉、青石鄉、中池鄉、松柏鄉、前池鄉。縣政府駐城關鎮。

1996年，撤銷柳城區、饒峰區、迎豐區、池河區、后柳區、熨斗區等6個區公所建制；撤銷古堰鄉、石磨鄉、長安壩鄉并入城關鎮，撤銷前池鄉、松柏鄉并入池河鎮，撤銷饒峰鄉、菩窯鄉合并設立饒峰鎮，撤銷長水鄉、麥坪鄉合并設立熨斗鎮，撤銷喜河鄉、藕陽鄉合并設立喜河鎮，撤銷后池鄉、云川鄉合并設立迎豐鎮，撤銷兩河鄉設立兩河鎮，撤銷青石鄉并入中池鄉，撤銷合溪鄉并入中壩鄉，撤銷鳳陽鄉并入長陽鄉。調整后，石泉縣轄8個鎮、9個鄉。

2000年第五次人口普查，石泉縣常住總人口159503人，其中：城關鎮43638人，饒峰鎮11286人，兩河鎮6225人，迎豐鎮7054人，池河鎮19411人，后柳鎮6872人，喜河鎮8118人，熨斗鎮11585人，曾溪鄉4242人，左溪鄉2022人，銀龍鄉5665人，銀橋鄉3691人，興坪鄉3366人，紅衛鄉4790人，中池鄉10146人，中壩鄉5114人，長陽鄉6278人。

2001年，撤銷興坪鄉并入兩河鎮，撤銷左溪鄉并入曾溪鄉。調整后，石泉縣轄8個鎮、7個鄉：城關鎮、饒峰鎮、兩河鎮、迎豐鎮、池河鎮、后柳鎮、喜河鎮、熨斗鎮、曾溪鄉、銀龍鄉、銀橋鄉、紅衛鄉、中池鄉、中壩鄉、長陽鄉。2004年末，全縣總人口182294人。

2010年第六次人口普查，石泉縣常住總人口171097人，其中：城關鎮53422人，饒峰鎮10586人，兩河鎮8662人，迎豐鎮6940人，池河鎮19866人，后柳鎮7222人，喜河鎮8010人，熨斗鎮12491人，曾溪鄉5715人，銀龍鄉5507人，銀橋鄉3661人，紅衛鄉5015人，中池鄉10985人，中壩鄉5992人，長陽鄉7023人。

2011年，撤銷銀龍鄉并入城關鎮，撤銷中壩鄉并入后柳鎮，撤銷長陽鄉并入喜河鎮，撤銷銀橋鄉、紅衛鄉合并設立云霧山鎮，撤銷中池鄉設立中池鎮，撤銷曾溪鄉設立曾溪鎮。調整后，石泉縣轄11個鎮：城關鎮、饒峰鎮、兩河鎮、迎豐鎮、池河鎮、后柳鎮、喜河鎮、熨斗鎮、曾溪鎮、云霧山鎮、中池鎮。

2012年末，石泉縣面積1516.4平方千米，戶籍人口181417人，常住人口17.14萬人。2013年末，石泉縣轄11個鎮，共有18個社區、193個行政村，縣政府駐城關鎮。

2015年，全縣撤并51個行政村，具體為：城關鎮撤并7個村，饒峰鎮撤并7個村，兩河鎮撤并4個村，池河鎮撤并6個村，中池鎮撤并4個村，迎豐鎮撤并4個村，后柳鎮撤并3個村，喜河鎮撤并3個村，云霧山鎮撤并5個村，曾溪鎮撤并6個村，熨斗鎮撤并2個村。調整后，全縣轄11個鎮，共有21個社區、140個行政村。