早在新石器时代就有人类居住，周为代国领域，战国时为赵国延陵邑。

秦置延陵县，西汉置阳原、延陵二县，属代郡。北魏改置广牧县，属附化郡。

隋为玉泉驿，属马邑县，后置玉泉县。唐仍称玉泉驿，后置天成军。

五代北周时期属云中县。辽代始为天成县，金改为天城县，元仍名天成县。中统三年(1262年)改属兴和路。

明洪武四年(1371年)改属大同府。洪武二十六年(1393年)置天成卫兼置镇虏卫，属山西行都指挥使司。洪熙元年又添设镇虏卫。

清顺治三年（1646年）并天城、镇虏二卫为天镇卫，清雍正三年（公元1725年）始称天镇县，属大同府。

民国属雁门道。抗日战争时期，天镇县南部山区为根据地，属晋察冀边区。

1948年3月天镇县解放。

1958年并入阳高县，1961年又恢复天镇县至今。