咸阳市政区建置始于夏代，公元前21世纪，市境西部为有邰氏封地，东南部为有扈氏管辖
原始氏族部落，属禹贡九州之雍州。殷商时期，发展到邰、豳、程、犬方等方国，市区在市境东南部。
公元前1066年（武王十一年），周武王灭商纣，建立周朝，定都镐京，封其弟姬高于毕（即中华人民共和国建国后的咸阳原）。
穆王发兵攻犬戎，俘其五王。将犬戎从犬丘（即中华人民共和国建国后的兴平东南）逐到市境西部至陇山一带。
公元前909年（懿王元年），因俨狁侵扰自镐徙都犬丘。
公元前350年（显王十九年、秦孝公十二年），秦建都咸阳，次年自栎阳徙都咸阳。
咸阳秦朝时期
公元前221年，秦始皇统一中国，设郡县，在咸阳周边京畿要地置内史，统辖关中各县，定都咸阳。秦末项羽入关，废郡县，恢复分封制，将秦内史和上郡一部分划为雍、翟、塞3国，是为“三秦”的由来。汉高祖初年，刘邦恢复被项羽焚毁的咸阳，取名新城。武帝年间，因咸阳临近渭水始更名渭城。
咸阳两汉时期
西汉建都长安，距咸阳仅十余里，咸阳北原为西汉皇室的陵区，地位仍很重要。西汉十一个皇帝中有九个葬在咸阳北原，有汉高祖长陵，汉惠帝安陵，汉文帝霸陵，汉景帝阳陵，汉武帝茂陵，汉昭帝平陵，汉宣帝杜陵，汉元帝渭陵，汉成帝延陵，汉哀帝义陵，汉平帝康陵。这些陵墓周围还有许多权贵功臣的陪葬墓。当时还从全国各地迁徙富豪大家，在皇陵周围设置邑县。
咸阳魏晋南北朝
三国时，咸阳的版图分布在扶风、冯翊、新平诸郡内。到西晋，咸阳境内有始平郡、新平郡、安定郡、扶风郡及诸郡所辖数县。东晋南北朝时期，先后有过灵武县、石安县、咸阳郡等建置。至北周末，境内有分属3州辖下的咸阳、扶风、新平、云阳、冯翊、平凉数郡的十余个县。
咸阳隋唐时期
隋初废除郡制，置州、县两级地方政区，后又改州为郡。至隋末，境内有京兆郡的始平、武功、醴泉、上宜、三原、泾阳、云阳7县，北地郡的新平、三水2县，安定郡的鹑觚县东北部。
唐代，在关中设京畿道，改豳州为邠州，至唐末，境内有京畿道京兆府的咸阳、三原、泾阳、醴泉、云阳、兴平、武功、好畤、奉天9县，邠州及所辖的新平、三水、永寿、宜禄4县。五代时至后周末，境内有京兆府的咸阳、兴平、泾阳、好畤、醴泉、武功6县，耀州的三原、云阳2县，乾州及所辖奉天县，邠州及所辖新平、三水、永寿、宜禄4县。
咸阳宋元时期
北宋在陕甘置永兴军路，置淳化县，撤销乾州，置醴州。北宋末，境内有京兆府的咸阳、兴平、泾阳3县，耀州的三原、云阳2县，邠州及所辖新平、宜禄、三水、淳化4县，醴州及所辖奉天、武功、醴泉、永寿、好畤5县。金末，境内有京兆府的咸阳、兴平、泾阳、云阳4县，耀州的三原县，乾州及所辖奉天、醴泉、武亭、好畤4县，邠州及所辖新平、淳化、永寿、宜禄、三水5县。元代在陕西置行中书省，境内有奉元路的咸阳、兴平、泾阳3县，耀州的三原县，乾州及所辖醴泉、武功、永寿3县，邠州及所辖新平、淳化2县。
咸阳明清时期
明代改奉元路为西安府，公元1371年（洪武四年）将咸阳迁到渭水驿，即中华人民共和国建国后秦都区所在地，后置三水县、长武县。明末，境内有西安府的咸阳、兴平、泾阳、三原、醴泉5县，乾州及所辖武功、永寿2县，邠州及所辖淳化、三水、长武3县。清代除将乾州、邠州改省直隶州外，仍延明旧制。
咸阳民国时期
1912年中华民国成立后，省以下的地方政区改为道、县两级，咸阳归关中道管辖。
1933年撤销道制，只存省、县两级。
1935年后陕西全省县以上设10个行政督察区，境内置有第二、第七、第九、第十等4个督察区的辖地。同一时期，中共中央成立苏维埃中央政府西北办事处，在旬邑县、淳化县和铜川耀州区一带设关中特区，1940年改为关中分区。
1949年5月设立咸阳分区，辖咸阳、长安、户县、周至、兴平、武功6县。
咸阳建国后
1950年5月咸阳分区更名为咸阳专区，撤销邠县分区，其中醴泉、栒邑两县划归咸阳专区；撤销三原分区，所属的三原、泾阳、淳化、高陵、富平、铜川、耀县7县划归咸阳专区；咸阳专区的长安县改由省直辖；武功县划归宝鸡专区。
1953年1月撤销咸阳专区，所属的咸阳、鄠县、铜川3县及咸阳市改由省直辖；富平、三原、泾阳、高陵、耀县5县划归渭南专区；栒邑、淳化、兴平、醴泉、盩厔5县均划归宝鸡专区；设立咸阳市，以咸阳县的城区及钓台区七里乡、珠泉乡石都村一带为其行政区域。
1961年10月，咸阳专区辖咸阳市及兴平、鄠县、盩厔、高陵、三原、泾阳、淳化、醴泉、乾县、永寿、栒邑、邠县、长武13县。
1958年11月撤销咸阳县，将原县的行政区域全部划归咸阳市。
1960年12月国务院批准将原属省直辖的乾县、邠县、盩厔、兴平4县，划归咸阳市。
1961年8国务院批准设立咸阳专员公署。西安市领导的鄠县和咸阳市领导的乾县、邠县、盩厔、兴平4县，及省直辖的三原县和新设立的淳化、邑县、长武、永寿、醴泉、泾阳、高陵7县划归咸阳专员公署领导。
1964年9月10日，经国务院批准，改醴泉为礼泉、栒邑为旬邑、邠县为彬县。
1966年6月陕西省人民委员会批准咸阳地区的咸阳市划归西安市代管。
1969年，咸阳专区改名咸阳地区。
1971年10月国务院批准西安市代管的咸阳市重新划归咸阳地区。
1984年，撤销咸阳地区，咸阳市改为省辖市，高陵、周至、户县划归西安市，原宝鸡地区的武功县、杨陵区划归咸阳市，原县级咸阳市改为秦都区，咸阳市辖秦都、杨陵2区及武功、兴平、泾阳、三原、礼泉、乾县、永寿、彬县、长武、旬邑、淳化11县。
1986年12月，以市区乐育路为界，分秦都区、渭城区。
1993年6月18日国务院批复撤销兴平县，设立兴平市（县级），由省直辖，以原兴平县的行政区域为兴平市的行政区域。
1997年7月，国务院正式批准在杨陵区成立杨凌农业高新技术产业示范区，示范区管委会为省政府直属派出机构，管辖县级杨陵区。
2009年6月25日 国务院新闻办举行《关中——天水经济区发展规划》新闻发布会。《规划》把咸阳作为“一核、一轴、三辐射”中的“一核”，明确提出建设西安（咸阳）国际化大都市的规划目标，确立了咸阳市在关中——天水经济区的重要地位，为咸阳的发展提供了千载难逢的历史机遇，标志着咸阳的发展进入了一个新的时期。