秦朝时期，今旗境属上郡北部地。
西汉时期，分属西河郡大成县、罗谷县、虎猛县（今红庆河乡）。
东汉时期，今旗境分属西河郡广衍等县和朔方郡大成县。
三国、西晋时期，今旗境属羌族政权统辖地。
东晋十六国时期，今旗境为后赵、前秦、后秦辖地。
夏国龙升三年（409年），今旗境属夏幽州辖地。
北魏时期，属夏州化政郡。
北周时期，属弘化郡。
隋朝时期，今旗为榆林郡富昌县地。
唐朝时期，属胜州河滨县和夏州。
南吴天祐五年（908年），今旗境阿勒腾席热镇以东地区属晋辖地；以西地区属契丹辖地。
后周显得六年（959年），今旗境阿勒腾席热镇以东地区属后周胜州地，以西地区属辽。
北宋初期，为胜州辖地，后为西夏胜州、夏州辖地。
元至顺元年（1330年），今旗境基本上属陕西行省延安路北境。
明宣德八年（1433年），今旗境属陕西辖地。
明正德五年（1510），统属蒙古鄂尔多斯万户。
明朝末年，鄂尔多斯第六代济农额璘臣率部众归顺后金。
清顺治六年（1649年），以诺延达喇济农据有的四营为主，编为鄂尔多斯左翼中旗（当时辖境相当于今伊金霍洛旗、东胜区的大部，杭锦旗和达拉特旗各一部，以及陕西省神木县长城以北地区）。
清朝封多罗郡王额璘臣领札萨克，故又称郡王旗，下辖4参领、17佐领。
清乾隆元年（1736年），析鄂尔多斯左翼中旗地一部分和鄂尔多斯右翼前旗（乌审旗）东边地，增置鄂尔多斯右翼前末旗（当时辖境相当于今伊金霍洛旗西南部和陕西省榆林、神木两县长城以北部分地），以定咱拉什为札萨克，俗称札萨克旗，下辖3参领、12佐领；还有随成吉思汗陵寝的达尔扈特部落驻牧地亦划于旗境。
清康熙三十六年（1697年），开始放垦长城北沿界牌地，允许汉人进入耕种。
清乾隆八年（1743年），向北延伸开垦“黑界地”。
随着蒙地陆续开垦，移入汉族农民越来越多，蒙汉民交涉事宜，初由神木理事司员查旗协理，后来将南部垦区分别划属神木、府谷县管辖。
清光绪二十八年（1902年），贻谷大臣督办垦放蒙地后，北部、东西两头、东南部均成垦区，初置垦务分局管理。
清光绪三十三年（1907年），析置东胜理事通判厅管辖，隶属山西归绥道。
民国三年（1914年），郡王旗、札萨克旗随伊克昭盟（今鄂尔多斯市）划归绥远特别区。
民国十七年（1928年），隶属绥远省。
民国二十六年（1937年），归绥沦陷后，绥远省境各蒙旗地方自治政务委员会移治札萨克旗新街。
民国二十八年（1939年），日本侵略军兵临黄河北岸，伊克昭盟盟长沙王为保护成吉思汗灵柩不被日伪军盗窃，呈请国民政府批准，将成陵迁移到甘肃省榆中县兴隆山。
[20]民国三十八年（1949年）7月2日，中国人民解放军一个团包围札萨克旗，中共伊西、伊东工委分别率部队进入札萨克旗。
同年7月7日，组成“临时共同委员会”。
经中共西北局同意，由“临时共同委员会”主持，召开群众大会，宣布札萨克旗临时人民自治政府成立。
同年9月，郡王旗先后解放。
1950年，两旗相继成立人民政府，隶属绥远省伊克昭盟。
同年，将东胜县平治乡3个保、爱民乡5个保（今纳林陶亥、新庙乡大部）划归郡王旗。
1952年，将盟直属通格朗区划归札萨克旗。
同年，将盟直属达尔扈特区（原为护守成吉思汗陵园的达尔扈特部落牧地）划归札萨克旗。
1959年1月20日，经国务院批准，撤销札萨克旗、郡王旗建制，设置伊金霍洛旗，以原札萨克旗、郡王旗两旗的区域为伊金霍洛旗的行政区域。
1964年，伊金霍洛旗人民委员会由新街镇迁驻阿勒腾席热镇。
[22]2001年，国务院撤销地级伊克昭盟设立地级鄂尔多斯市，伊金霍洛旗属鄂尔多斯市管辖。