據(jù)考古發(fā)現(xiàn)的三合潭遺址證實，早在新石器時代，人類就開始在玉環(huán)大地上繁衍生息、創(chuàng)造文明。
西周及春秋時期，屬甌越地。
戰(zhàn)國時期，屬楚地。三合潭出土的網(wǎng)墜、魚刺、魚鉤等漁具（考證為戰(zhàn)國時期漁具），反映縣境在2400多年前即具有開發(fā)海洋的漁文化特點。
秦代今縣境屬閩中郡。
西漢初屬東甌王國。武帝建元三年（前138年），東甌王因閩越國圍攻，乃舉國遷徙，縣境廢墟。始元二年（前85年）置回浦縣（包括今溫州、臺州和麗水地），隸屬會稽郡，縣境屬回浦縣地。
東漢建武6年，回浦縣并入鄞縣，縣境屬鄞縣回浦鄉(xiāng)。后析出回浦地，建章安縣，縣境為章安縣東甌鄉(xiāng)。后又析出東甌鄉(xiāng)，建永寧縣，隸屬臨�？�，縣境為永寧縣地。
三國時，屬吳國，為臨�？び缹幙h地。
西晉時仍為臨�？び缹幙h地。
東晉太寧元年（323年），分臨海地立永嘉郡；寧康二年（374年）分永寧地置樂成縣，縣境屬樂成縣。
南北朝時，仍隸屬樂成縣地。
隋朝文帝開皇12年，樂成縣并入永嘉縣，縣境為永嘉縣地。
唐朝武德5年析永嘉縣置永寧、樂成兩縣，縣境屬樂成縣地。其間析、廢、置較多。會昌二年（842年）前，樂成縣在縣境置玉留鎮(zhèn)。
五代時屬吳越國，隸靖海軍。后梁開平二年（908年），改樂成縣為樂清縣�？h境屬樂清縣。
北宋時，縣境為溫州府樂清縣玉環(huán)鄉(xiāng)之一部分，隸屬兩浙路應道軍。南宋時改溫州府為瑞安府，縣境為瑞安府樂清縣玉環(huán)鄉(xiāng)。
元朝時仍為樂清縣玉環(huán)鄉(xiāng)地。
明朝初期仍為樂清縣玉環(huán)鄉(xiāng)。明洪武20年（1387年），因倭寇擾邊，徙居民為內(nèi)地，今楚門港（漩門港）以南玉環(huán)本島等地全部被遷棄。成化12年（1476年），析樂清縣山門、玉環(huán)兩鄉(xiāng)6都地隸太平縣（今溫嶺市），屬臺州府（今臺州市），縣境港北地區(qū)歸屬太平縣，港南地被游民私種。
清初，縣境港北仍為太平縣地，港南仍被游民私種。順治18年（1661年），清政府下令撤邊海30里，境民全被內(nèi)遷。楚門半島地區(qū)亦遭遷棄。境內(nèi)塘塌地廢，一片荒蕪。清雍正5年，浙江巡撫李衛(wèi)奏請展復玉環(huán)。欽準招徠沿海居民（大部分來自溫州、臺州兩府沿海居民），報荒墾種，展復玉環(huán)，境業(yè)再衍。雍正6年（1728年），始建玉環(huán)廳，隸屬溫州府（今溫州市）。至此，玉環(huán)始有獨立行政建制。
民國元年（1912年），行道縣制，玉環(huán)廳改為玉環(huán)縣，屬溫處道（今溫州市）。民國16年，廢道縣制，玉環(huán)縣隸屬省行政督察區(qū)管轄。玉環(huán)所屬行政督查區(qū)屢有變更。民國37年（1948年），縣境屬浙江第五行政督察區(qū)。
1949年4月7日，玉環(huán)解放。4月14日，建立中共玉環(huán)縣委和玉環(huán)縣民主政府。5月12日，玉環(huán)縣民主政府改為玉環(huán)縣人民政府。中華人民共和國建立后，亦稱玉環(huán)縣，屬浙江省溫州專區(qū)（今溫州市）。玉環(huán)縣下轄5個區(qū)49個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
土地改革完成后，對區(qū)、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)重新作調(diào)整。1952年1月15日，原三盤區(qū)重獲解放，原鄉(xiāng)、鎮(zhèn)建制亦恢復。8月建陳嶼區(qū)。10月三盤區(qū)分洞頭、大門兩個區(qū)。至年底，縣轄7個區(qū)79個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)。
1953年5月，洞頭、大門兩個區(qū)19個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)析出，建立洞頭縣。
1956年2月，因農(nóng)業(yè)合作化發(fā)展需要，區(qū)、鄉(xiāng)、鎮(zhèn)又作調(diào)整。建立3個直屬鎮(zhèn)，6個直屬鄉(xiāng)，2個區(qū)轄13個鄉(xiāng)鎮(zhèn)。
1958年7月，洞頭縣建制撤銷，下轄11個鄉(xiāng)、鎮(zhèn)地重新歸入玉環(huán)縣。同年11月，全縣以區(qū)為單位實現(xiàn)人民公社化，下轄生產(chǎn)大隊（后又稱管理區(qū)）。至年底，全縣共6個人民公社，46個生產(chǎn)大隊。
1959年4月，玉環(huán)縣建制撤銷。原洞頭縣地劃歸溫州市，余皆并入溫嶺縣（今溫嶺市）。
1962年4月，玉環(huán)縣建制恢復（未包括原洞頭縣地）。其后區(qū)、公社均有撤、析、建變更。至1967年1月，全縣共設(shè)置3個區(qū)、3個鎮(zhèn)、26個人民公社（從原生產(chǎn)大隊升格為人民公社）。
1980年1月，縣屬環(huán)山鎮(zhèn)改名城關(guān)鎮(zhèn)。
1983年9月至1984年4月，全縣恢復鄉(xiāng)人民政府建制。至1986年，全縣共設(shè)置4個區(qū)，22個鄉(xiāng)，7個鎮(zhèn)。
1991年3月11日，從楚門區(qū)析出外塘鄉(xiāng)、凡塘鄉(xiāng)、芳杜鄉(xiāng)、清港鎮(zhèn)，建置清港區(qū)。
1992年4月至5月，全面開展“撤區(qū)、擴鎮(zhèn)、并鄉(xiāng)”工作，撤掉5個區(qū)、30個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，并為8鎮(zhèn)4鄉(xiāng)。它們是：城關(guān)鎮(zhèn)、楚門鎮(zhèn)、清港鎮(zhèn)、干江鎮(zhèn)、坎門鎮(zhèn)、陳嶼鎮(zhèn)、鮮疊鎮(zhèn)、沙門鎮(zhèn)、龍溪鄉(xiāng)、雞山鄉(xiāng)、蘆浦鄉(xiāng)、海山鄉(xiāng)。1994年9月，撤蘆浦鄉(xiāng)建蘆浦鎮(zhèn)。
1993年11月6日，省政府批準設(shè)立浙江省玉環(huán)大麥嶼經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。1994年7月13日，大麥嶼經(jīng)濟開發(fā)區(qū)與陳嶼鎮(zhèn)合署辦公。
2000年6月30日，撤銷城關(guān)鎮(zhèn)、坎門鎮(zhèn)、陳嶼鎮(zhèn)建制，建立玉環(huán)縣珠港鎮(zhèn)（含城關(guān)辦事處、坎門辦事處、陳嶼辦事處等三個辦事處）。
2001年11月，撤銷鮮疊鎮(zhèn)，轄區(qū)拼入珠港鎮(zhèn)陳嶼辦事處，至此，縣境內(nèi)共設(shè)置6個鎮(zhèn)、3個鄉(xiāng)。