秦朝时，属黔中郡。
西汉时，为武陵郡临沅县的一部分。
公元50年（东汉建武二十六年），桃源地域从临沅县析出，置沅南县，隶属武陵郡。其县治设于武陵县治西南70里的古城山（今鼎城区长茅岭乡）。
公元106年（汉殇帝延平元年）迁至浔阳坪（今漳江镇浔阳坪村）。三国、两晋、南北朝时期，县名均为沅南县。
公元583年（隋文帝开皇三年），合临沅、沅南、汉寿三县为武陵县，隶属朗州。
唐、五代时期，今桃源地域均为武陵县的一部分。
公元963年（宋太祖乾德元年），转运使张咏根据朝廷析武陵县之政令，在实地考察之后，建议置桃源县。其理由是：其地有一风景秀丽、道观雄伟的胜地，此胜地因东晋大诗人陶渊明所作《桃花源记》传颂于世而得名桃花源。早在晋代，桃花源的桃源山即建有道观，名桃川宫。
1949年10月，新中国成立后，桃源县隶属常澧区行政专员公署。
1950年8月，常澧区行政专员公署改为常德地区行政专员公署，桃源县隶属其下。
1969年，常德地区行政专员公署被常德地区革命委员会取代。
1980年撤销常德地区革命委员会，成立常德行政公署，1988年4月改为常德市，桃源县仍属其治下。