鄂托克旗地区早在新石器时代就有人类活动。“河套人”就在鄂托克旗一带生息、繁衍，今阿尔寨石窟（百眼窟）、桂勒斯太（樱桃山）等地区发现新石器时代“河套人”遗址。商代、土方、鬼方等方国和北羌、熏育等民族游牧于此地，他们大多是“居溪沟，各有君长”。西周时，鄂托克旗一带为猃狁等游牧部落的活动区，统称戎狄。

春秋时期，朐衍等部落游牧于旗境西南边沿。至战国时期，林胡、楼烦移居此地。此后很长的历史时期内，鄂托克旗大部分地区成为匈奴民族重要的活动地区。

秦始皇三十年（公元前215年）划属北地郡。汉元朔二年（公元前127年）入朔方郡，境属临戎、修都县。

东汉建武二十六年（公元50年）后，南匈奴等部众入居，鄂托克旗属右贤王屯领的朔方郡。

两晋十六国时为前后赵、前后秦属地朔州境。

北魏天赐四年（公元407年）赫连勃勃建立大夏国，鄂托克旗隶属夏国夏州。北魏态帝始光四年（公元427年），北魏占领整个鄂尔多斯，形成南北朝对峙局面，此时鄂托克旗分属于西安州、薄骨律镇和沃野镇。

隋炀帝大业元年至三年（公元605－607年）改州为郡，鄂托克旗地区分属灵武、盐川二郡。唐初为安置内附突厥人的鲁、丽、舍、塞、依、契六胡州地区，后并为匡、长二州。

唐开元二十六年（公元738年）置宥州，境置延恩、归仁、怀德三县。元年八年（公元813年）在经略军（故城址在包乐浩晓）设新宥州，下辖延恩、长泽二县。

五代十国时期，党项拓拔思恭子弟历任定难军节度使，鄂托克旗地盘分属定难节度使和中央王朝的灵盐节度使。

北宋宝元元年（公元1038年）归属西夏。

公元1226年，成吉思汗亲征西夏，在鄂托克旗西部休整兵马，1227年灭西夏，鄂托克旗始为蒙古汗国领地。

元代，除旗境西部划属甘肃行省宁夏府路外，余为察罕脑尔皇室封地。明洪武六年（公元1376年）鄂托克旗分属宁夏卫和东胜卫，隶属陕西行都司。

天顺六年（公元1462年）蒙古部落入居鄂尔多斯，弘治一三年（公元1500年）巴图孟克达延汗恢复万户组织，鄂托克旗属右翼三万户济农巴尔斯博罗特所辖鄂尔多斯万户之地，后一直属巴尔斯博罗特之孙拜桑忽尔及其后裔的领地。崇祯七年（公元1635年）鄂尔多斯万户归顺清朝。

清顺治六年（公元1649年）清延将鄂尔多斯万户划为六个旗原拜桑忽尔诺延及后裔所据克扣特、锡布沁、乌喇特、唐古特等部落组成鄂尔多斯右翼中旗，下设15哈喇（参领区）83个苏木（佐领）。

民国年间仍实行盟旗制度，仍称鄂尔多斯右翼中旗。

1930年，旗境设沃野县，1936年将旗衙门改为旗政府。

1941年旗境设桃力民办事处。

1942年在参领区内实行保甲制度，但一直到全国解放，哈喇、苏木和保甲制度同时并存。

1949年8月23日，鄂托克旗和平解放，9月7日成立临时自治政府，1950年2月成立鄂托克旗人民政府。

1980年，南部10个人民公社分置鄂托克前旗。

1997年将巴音陶亥乡、巴音陶亥农场和碱柜乡的巴音、新地、黄河、三坝四个村划入乌海市。