东汉安帝永初二年（108年），析广汉郡北部地域设广汉属国，治地在今甘肃省文县，刚氐道改隶广汉属国。
东汉献帝建安二十年（215年），改广汉属国为阴平郡，刚氐道改隶阴平郡。
东汉献帝建安二十四年（219年），刘备军事集团为防备曹操军事集团越摩天岭南下，在刚氐道境内设置了军事要塞江由戍，后习称江油关，关址在今县城东南50公里处的南坝镇老街。
三国蜀汉后主建兴七年（229年），蜀汉政权在刚氐道境内南部分置广武县，同时改刚氐道为刚氐县，治地未变，两县皆隶阴平郡。
魏元帝景元四年（蜀汉炎兴元年，263年）十月，曹魏征西大将军邓艾兵出阴平邪径，突袭江由戍，蜀汉守将马邈不战而降。魏军由此长驱直入，攻陷成都，蜀汉灭亡，广武、刚氐二县归于曹魏。
魏元帝咸熙二年（265年），司马炎代魏，建立西晋，广武、刚氐二县归于西晋。
西晋武帝太康元年（280年），东吴灭亡，天下归晋，乃更广武县名为平武县，此为县境内第一次以“平武”为名建县。“平武”之名，系取“阴平”之“平”与“广武”之“武”组合而成，乃“天下从此太平，永远休兵罢武”之意。
晋怀帝永嘉三年（309年），巴氐李雄建大成国，史称成汉，平武、刚氐二县归于成汉。
东晋穆帝永和三年（347年），桓温伐蜀，成汉灭亡，平武、刚氐二县入于东晋版图。是年，省刚氐县入平武县，仍治今平武县南坝镇，上隶阴平郡，郡治今江油市小溪坝镇。
南北朝时期，南朝宋、齐两代，平武县建置未变，隶北阴平郡。其时，北阴平郡与所辖阴平县同于治今江油市小溪坝镇。
西魏废帝二年（553年），西魏趁南梁内乱，遣大将军尉迟炯伐蜀，蜀地尽入西魏版图。西魏占领蜀地后，复置龙州，并将其治地由阴平（今江油市小溪坝镇）迁徙到江油关（今平武县南坝镇）。
隋文帝开皇三年（583年），撤销江油、静龙、马盘、建阳四郡，江油、平武、阴平、马盘、秦兴五县直隶于龙州。开皇十三年（598年），改秦兴县为方维县。
隋炀帝大业三年（607年），改龙州为平武郡，仍治今平武县南坝镇。时阴平县改隶普安郡，平武郡领江油、平武、马盘、方维四县。
唐高祖武德元年（618年），改平武郡为龙门郡，其年又加一西字，称西龙门郡，仍领江油、平武、马盘、方维四县。武德四年（621年），拨出方维县，郡领江油、平武、马盘三县。
唐太宗贞观元年（627年），改西龙门郡为龙州，又称龙门州，属羁糜州，归茂州管辖，至武则天垂拱年间（685～688年）始为正州。贞观八年（634年），省平武县入江油县，州领江油、马盘二县。
唐玄宗天宝元年（742年），改龙州为江油郡，改马盘县为清川县，郡领江油、清川二县。
唐肃宗至德二年（757年），赐江油郡为灵应郡，并置龙州都督府。《李龙迁祠记》碑载，至德二年十月二十八日诏曰：“江油古邑，地带灵山。自梁迄唐，屡蒙显贶。眷兹龙境，礼合褒崇。可升龙州为都督府，赐号灵应郡。”“灵山”即南坝镇之牛心山。
肃宗乾元元年（758年），复改灵应郡为龙州，仍领江油、清川二县。
五代时期，前蜀、后蜀政权承唐旧制，龙州及江油、清川二县建置、治地均无变化。
北宋建立后，仍置龙州，领江油、清川二县。宋徽宗政和五年（1115年），改龙州为政州。南宋高宗绍兴元年（1135年），复改政州为龙州，仍领江油、清川二县。
宋理宗宝庆三年（1226年），南宋朝廷设龙州三寨长官司，授予龙州判官王行俭世袭长官司之职，龙州土司正式产生。王行俭成为境内王姓土司始祖。
宋理宗端平三年（1236年），州境内发生兵乱，清川县废。理宗宝祐六年（1258年），龙州与江油县徙治于雍村（今江油市大康镇）。此后直至明初的130年间，今平武县境内无县级以上政区建置，为龙州江油县及龙州三寨长官司辖地。
宋度宗咸淳元年（1265年），南宋朝廷授予龙州知州薛严世袭土知州之职，龙州全境皆成为土司领地。薛严成为境内薛姓土司始祖。
元世祖至元十三年（1276年），龙州土司归附元朝，今平武县境仍为龙州江油县及龙州三寨长官司辖地。至元二十二年（1285年），省江油县入龙州，今平武县境为龙州及龙州三寨长官司管地辖地。
元顺帝至正元年（1341年），升龙州为龙州宣慰司。顺帝至正十一年（1351年），又升为龙州元帅府，并将龙州三寨长官司纳入其中，今平武县境为龙州辖地。至正二十一年（1361年），复改龙州元帅府为龙州宣慰司。
元顺帝至正二十二年（1362年），明玉珍建立的大夏割据政权占据龙州，次年，仍置龙州宣慰司，并复置江油县，州、县同治兴教镇（今江油市武都镇）。今平武县境为龙州江油县辖地。大夏开熙元年（元至正二十七年，1367年），改授龙州等处军民宣抚司。
明太祖洪武二年（1369年），今平武县境为龙州江油县与青川守御千户所辖地。
明神宗万历十八年（1590年），新设宁武县附郭，与龙安府同治今平武县城龙安镇。万历十九年（1591年），改宁武县为平武县。此为县境内第三次以“平武”为名建县。此后，县名及治地至2009年底未变。
清顺治六年（1649年），清军攻占龙安府，各土司亦相继归顺清朝。清政府仍设龙安府，下辖平武、江油、石泉三县，黄羊关土长官司、阳地隘土通判、龙溪堡土知事三土司和青川守御千户所。顺治十年（1653年），省江油县入平武县。顺治十六年（1659年），裁青川守御千户所并入平武县。
康熙元年（1662年），复设江油县隶龙安府，仍治今江油市武都镇。
雍正七年（1729年），拨松潘卫隶龙安府。雍正九年（1731年），拨彰明县隶龙安府，改松潘卫为松潘厅。同年，平武县设县丞署于青川（今青川县青溪镇），分管原青川守御千户所辖地。
乾隆二十五年（1760年），松潘厅由散厅升为直隶厅，脱离龙安府管辖范围。
嘉庆七年（1802年），平武县设主簿署于大印，管辖县南平通河流域。
民国二年（1913年），国民政府施废除龙安府，仍设平武县和黄羊关土长官司、阳地隘土通判、龙溪堡土知事三土司，隶川西道（治成都，次年更名西川道）。平武县原县丞署辖地改设青川分县（至民国十八年撤销），主簿署辖地则直隶于县。
民国七年（1918年）后，县境进入军阀割据的防区制时期。
民国十三年（1926年），撤销西川道，平武县直隶于省。
民国二十四年（1935年）年6月，川政统一，平武县归四川省政府设第十四行政督察区（专员公署驻剑阁县城）管辖。
民国二十五年（1936年），分区设署，全县分设三个区：一区区署先驻县城、后迁水晶，二区区署驻煽铁沟，三区区署驻青溪。三土司世袭领地始在名义上纳入平武县管辖范围。
民国二十九年（1940年），将三土司世袭领地统一改称“夷地”，实行改土归流，分别建立黄羊、阳地、虎牙三个特编乡，预备在三土司领地内推行保甲制，因土司抵制、番民梗阻而未成，仍实行番官、头人制度。
民国三十一年（1942年）4月，四川省政府分出平武县第三区建立青川县。同年，改土司领地三特编乡为乡，隶平武县第一区，三土司名存实亡，当代平武县基本形成。
1949年10月1日，中华人民共和国成立。12月27日，平武县解放。
1950年1月，平武县人民政府建立，隶剑阁专区（治今广元市）。当年7月，建立藏族自治委员会，下设黄羊、白熊、虎牙3个大部落，在原土司世袭领地内恢复番官、头人制度。藏族自治委员会辖区以外，分设5个区、19个乡。
1951年9月，改藏族自治委员会为藏族自治区。
1952年12月，剑阁专区更名广元专区。
1953年3月，撤销广元专区，平武县改隶绵阳专区。
1956年2月，划白石乡隶江油县，甘溪、桂溪、都坝、贯岭4乡隶北川县，全县境域格局基本定型。
1956年10月，藏族自治区民主改革完成，在县境内沿袭了755年之久的土司制度正式宣告结束，全县行政区划改为4个区，32个乡、1个镇。
1958～1959年，全县人民公社化，后形成6个区，39个人民公社、1个镇。
1968年7月，绵阳专区更名为绵阳地区，平武县改隶绵阳地区。
1984年，改人民公社为乡，全县共辖6个区，39个乡、1个镇。
1985年2月，撤销绵阳地区，建立绵阳市，平武县改隶绵阳市。
1992年，撤区并乡建镇，撤销6个区，撤销和合并了部分乡，新建了部分镇，改39个乡、1个镇为9个镇、10个乡。
1995年，恢复锁江、徐塘、平南、水观、水田、旧堡等6个乡，全县共辖9个镇、16个乡（其中6个藏族乡）。
1999年3月，四川省人民政府批准平武县享受少数民族县待遇。
2003年7月，改徐塘、锁江、平南三乡为羌族乡。
2009年底，全县共辖9个镇（其中3个羌族聚居镇）、16个乡（其中6个藏族乡、3个羌族乡），249个村，1486个村民小组，10个街道居民委员会。全县总人口59615户，186772人，其中，非农业人口27651人，占14.80%。总人口中，男性97451人，女性89321人，男女性别比为110:100。全年人口出生率8.09‰，死亡率6.55‰，人口自然增长率1.54‰，比2008年同期上升了5.74个千分点。县境内有藏、羌、回等11个少数民族，66144人，占总人口的35.4%。