三墩镇历史悠久，据传春秋战国（经公元前221年）孔子的学生荀子，到过三墩，并亲手沿河栽种兰花，为民间做过好事，为纪念他故称兰里。咸丰年间，太平军首领李秀成骑马至三墩，太平军发给钱塘李大明、柴大妹俩婚姻登记证书，实行婚姻自主，此证现由浙江博物馆收藏。

建镇始于南宋前，民国19年(1930)实行地方自治制，属杭县。

1949年5月3日解放，同年8月成立三墩镇人民政府，1958年杭县撤销，属杭州市三墩区，同年置三墩公社，镇境域为三墩管理区，1959年，属杭州市拱墅联社，1960年属杭州市钱塘联社，1961年恢复三墩镇，属余杭县，1985年西行乡并入，1992年双桥乡并入，1996年5月9日三墩镇由余杭市划归杭州市西湖区管辖。