神农时，伊川县地域即有一国之称，唐尧时称伊侯国，虞舜时称伊川。伊川县地域的西南大部（今城关、鸦岭、常川、高山、平等、鸣皋、酒后、葛寨、白元、水寨、彭婆等乡镇），夏代称豫州伊阙地，周襄王时名伊川，战国时称伊阙，后改新城。汉惠帝四年（前191年）置新城县，属三川郡，后三川郡改为河南郡。晋，河南郡改河南尹，领陆浑、新城二县。东魏改新城县为伊川郡。隋开皇初，郡废，改置伊州，又废洛阳郡，析置伊川县。大业初，伊川县并入洛阳县。宋初，置伊阳、伊阙两县，属河南府。熙宁时，废伊阙县为镇，并入伊阳县。绍兴九年（1139年），改伊阳县为顺州，后改顺州为嵩州。明朝，伊川县南部属嵩县，清沿明制。伊川县地域的东部（今江左、吕店、半坡、白沙等乡），夏时名轮国，春秋时曰轮氏，属郑国。战国时复为轮国，属韩地。东汉章帝时设轮氏县。北魏，改轮氏县为颍阳县，后析颍阳县西部置堙阳县。后堙阳县改武林县，又改轮氏县，大业初并入嵩阳县。

唐睿宗时，分登封、伊阙、河南三县各一部建武林县。开元年间，改武林县为颍阳县。元兴定元年（1218年）颍阳县西部（今江左、白沙等乡）归洛阳县，直至民国初。

民国16年（1927年），析洛阳、登封、伊阳（今汝阳）、临汝（今汝州市）等县各一部，置自由县；析洛阳、嵩县、伊阳、宜阳等县各一部，置平等县。

民国21年（1932年），平等、自由两县合并，成立伊川县。伊川县成立后，原临汝县划给自由县部分，仍归临汝县。原伊阳县划给自由县部分，仍归伊阳县。为便于对龙门山的管理，又将魏湾划归洛阳县。

1945年2月，划伊河以西，龙门山以南，嵩县田湖以北的伊川地区及宜阳县的石、南留、白杨等地，成立伊西县。抗日战争胜利后撤销。

1947年8月，析伊川县伊河西部与宜阳县之穆册、赵堡、城关、程屋、白杨诸乡成立宜南县；又划伊阳县之陶营、蔡店、蟒庄一带归伊川县。

1949年2月，撤销宜南县，原属伊川县之鸦岭、平等、鸣皋诸区复归伊川，蔡店、蟒庄一带仍属伊阳。伊川、伊阳两县各恢复原辖区，均属洛阳专区。

1960年3月，嵩县的田湖、阎庄、黄庄、寺庄、城关5个人民公社及桥头牧场划归伊川县。

1961年9月，原嵩县的5个公社及桥头牧场复归嵩县。

1986年2月，洛阳地区撤销后，伊川县归洛阳市管辖。