春秋战国，为瓯越之地。
秦，属闽中郡。
西汉始元二年（公元前85年），属回浦县，隶会稽郡。东汉，建武元年至三年间（25-27），改回浦县为章安县，永和三年（138）析章安县东瓯乡置永宁县，遂为永宁县地，仍隶属会稽郡。
三国，属吴国，仍为永宁县地。太平二年（257），分会稽郡东部置临海郡，永宁县属之。
东晋，太宁元年（323），分临海郡立永嘉郡，以永宁县为郡治。宁康二年（374）分永宁县置乐成县，今洞头县境遂为乐成县地。
隋，开皇九年（589），改永宁县为永嘉县，隶处州，今洞头县境为永嘉县地。开皇十二年（592），改处州为括州。
唐，武德五年（622），分括州置东嘉州，分永嘉县复置乐成县，今洞头县境又为乐成县地，隶东嘉州，武德七年（624），又撤乐成县并入永嘉县，今洞头境地复为永嘉县地。贞观元年（627），废东嘉州，永嘉县隶括州。高宗上元二年（675），分括州置温州，设州治于永嘉。载初元年（689），复置乐成县，隶温州，今洞头县境复为乐成县地。
五代十国时，乐成县属吴越国。
后梁开平二年（908）改乐成为乐清，今洞头县境为乐清县地，仍属温州。
南宋，咸淳元年（1265）属瑞安府。
元，属温州路。
明，属温州府。
清，雍正六年（1728），置玉环厅，隶温州府。今洞头县境划玉环厅第二十都。
民国元年（1912），改玉环厅为玉环县，隶瓯海道，今洞头县境为玉环县第四区。
民国二十五年（1936），今洞头县境建政为三盘区。
1949年10月7日（农历八月十五）洞头境首次解放和1952年1月15日洞头全境最后解放后，均仍属玉环县。
1953年6月10日，中央人民政府批准洞头置县，隶浙江省温州地区专员公署。
1958年5月29日，国务院批准撤销洞头县建制，7月1日起划归玉环县。
1959年1月7日，国务院决定撤销玉环县建制。4月1日起，洞头划归温州市。
1964年10月31日，国务院批准恢复洞头县建制，隶浙江省温州地区专员公署 。
1965年3月1日起，县人民委员会正式对外办公。
1981年9月22日，温州地区与温州市合并，洞头即改隶浙江省温州市。
2015年7月23日，国务院批准温州市洞头县撤县设区。
9月1日，温州市举行洞头撤县设区动员大会暨授牌仪式。