相傳神農時,伊川縣地域即有伊國之稱,唐堯時稱伊侯國,虞舜時稱伊川。夏代,伊川縣西南大部地域稱豫州伊闕地,周襄王時名伊川,戰國時稱伊闕,后改新城。漢惠帝四年(前191)置新城縣,屬三川郡。東魏改新城縣為伊川郡。隋開皇初,郡廢,改置伊州,又廢洛陽郡,析置伊川縣。大業初,伊川縣并入洛陽縣。宋初,置伊陽、伊闕兩縣。熙寧時,廢伊闕縣為并入伊陽縣。紹興九年(1139),改伊陽縣為順州,后改順州為嵩州。明朝,伊川縣南部屬嵩縣,清沿明制。
伊川縣今地域的東部(江左、呂店、半坡、白沙等鄉鎮),夏時名輪國,春秋時曰輪氏,屬鄭國。戰國時復為輪國,屬韓地。東漢章帝時設輪氏縣。北魏,改輪氏縣為潁陽縣,后析潁陽縣西部置堙陽縣。后堙陽縣改武林縣。唐開元年間,改武林縣為潁陽縣。金興定元年(1217)潁陽縣西部(今伊川縣江左、白沙等鎮)歸洛陽縣直到民國初。民國16年(1927),劃洛陽縣龍門南伊河東的草店、彭婆、水寨、白沙、程莊、竇村、茹店一帶,登封縣的俞西里(包括江左、魏家寨、半坡、魯溝、老君堂等地)、呂店里(包括丁流、呂店、溫溝、九洼、楊家溝、王村、黃龍廟),伊陽縣(今汝陽縣)的椿樹嶺、陶營、內埠、大安、蔡店、蟒莊一帶,臨汝縣(今汝州市)的臨汝鎮、官莊、鰲頭、高水泉、東均天、神溝等地,成立自由縣,縣政府設在白沙鎮;劃洛陽縣龍門南伊河西的魏灣、槐樹街、窯底、府店、窯灣、康莊、鴉嶺、常川、柿樹洼等地,宜陽縣的宋店、坡頭、白楊鎮等地,嵩縣的鳴皋、莘營、馬回、古城、葛寨、海角(今酒后)、常峪堡、省源頭等地,伊陽縣的土門、白元、夾河、謝莊一帶成立平等縣,縣政府設在大莘店(今平等村)。
民國21年(1932),平等、自由兩縣合并,成立伊川縣,縣政府設府店鎮。伊川縣成立后,原臨汝縣劃給自由縣部分,仍歸臨汝縣;原伊陽縣劃給自由縣部分,仍歸伊陽縣;此后不久,為便于對龍門山的管理,又將魏灣劃歸洛陽縣。
民國29年(1940)2月,彭婆區的上徐馬、下徐馬、潘溝、北楊溝、山張幾個村亦劃歸洛陽縣。
1945年2月,劃伊河以西、洛河以東、龍門山以南、嵩縣田湖以北成立伊西縣,抗日戰爭勝利后撤銷。原伊川縣、宜陽縣部分復歸兩縣。1947年8月,中共豫西三地委決定,以伊河為界,河東原伊川縣部分和伊陽縣的陶營、蔡店、蟒莊等地為伊川縣;伊河西部原伊川縣部分與宜陽縣的穆冊、趙堡、城關、程屋、白楊諸鄉成立宜南縣,縣政府設在白楊鎮。1948年1月1日,伊川縣人民民主政府在黃兌村正式成立,6月縣政府遷白沙鎮。1949年2月,撤銷宜南縣,伊河西原伊川縣部分仍歸伊川縣,原伊陽縣的蔡店、蟒莊、陶營和伊川縣的妙黍村歸伊陽縣。3月,伊川縣人民民主政府遷府店鎮。1953年3月,伊陽縣(今汝陽縣)的邢嶺、石嶺劃歸伊川縣。1956年7月,伊川縣張綿鄉的康扒村劃歸伊陽縣。1958年7月,伊川縣北茹店村劃歸伊陽縣。1960年3月,嵩縣的黃莊、田湖、閻莊、城關、寺莊5個公社和橋頭牧場并入伊川縣,1961年9月,復歸嵩縣。
2008年5月,城關鎮郭寨村,彭婆鎮東草店村、西草店村劃歸洛龍區管轄。