西汉前期，匈奴控制西域。建元三年（前138）及元狩四年（前119），张骞两次出使西域，联合月氏、乌孙对抗匈奴。当时，今新源县所在的伊犁河谷等西天山地区属乌孙国一部分。神爵二年（前60），匈奴日逐王降汉，西汉统一西域，设西域都护府，西域纳入中国版图。自此新源所在地区纳入中国版图。新源县所在地区始终是中国不可分割的一部分。

东汉延光二年（123），东汉改西域都护府为西域长史府，继续行使管理西域的职权。

魏晋南北朝承汉制，曹魏、西晋、前凉、前秦、北魏等设西域长史、戊己校尉等统辖西域，新源县所在地方受其管辖。乌孙、鲜卑、柔然、突厥等先后活动于此。

隋朝时期，西突厥归附隋朝，新源县所在地区隶属于隋朝。

唐朝设安西都护府（大都护府）、北庭都护府，统辖天山南北。九世纪后半期至宋代，喀喇汗国等与宋朝保持朝贡。

南宋绍兴二年（1132），西辽建立，辖新源县所在区域。嘉定十一年（1218），蒙古汗国灭西辽，辖新源县。宝庆元年（1225）为察合台封地。淳祐十一年（1251），设别失八里等处行尚书省。咸淳七年（1271）元朝建立，续行省制。至元十七年（1280），设北庭都护府，作为管辖西域的最高军政机关。至元十九年（1282），设阿力麻里元帅府，统领天山北路。元代中期以后属察合台汗国、东察合台汗国。

明代前期属东察合台汗国。永乐四年（1406），明设哈密卫，并通过册封头目管辖天山南北。

明末清初为准噶尔部游牧地。清平定准噶尔，定西北国界。乾隆二十七年（1762）设伊犁将军。光绪十年（1884）建新疆省，改称西域为“新疆”。光绪十四年（1888），设伊塔道，下辖伊犁府等、塔城直隶厅和精河直隶厅，新源县归伊犁府。

民国元年（1912），新疆为中华民国行省，设伊犁镇边使、塔城改设参赞，阿尔泰改设办事长官，均直属中央，并保留伊塔道建制。民国3年（1914），伊犁镇边使改设镇守使，归属新疆省管辖。民国5年（1916），塔城参赞撤销，伊塔道分置为伊犁道、塔城道，新源县所在地区归伊犁道管辖。民国17年（1928）改伊犁行政区。民国19年（1930），巩留置县，巩乃斯为其东部牧区，巩乃斯于民国28年（1939）从巩留县划出，设恰克满设治局。民国31年（1942）更名新源设治局。民国32年（1943），改伊犁专区。民国35年（1946）设新源县。

1949年中华人民共和国成立，新疆和平解放，1950年新源县人民政府成立，1951年中国共产党新源县委员会正式成立。设3个区22个乡。1953年分设5个区21个乡。1956年，将尼勒克县第四区（则克台）划归新源县，为新源县第六区（下辖3个乡）。2000年，国有农牧场体制改革，撤场并入乡镇，并在高潮牧场的基础上建立肖尔布拉克镇。2019年，国营农牧场改革实行政企分开，成立4个农场社区，将原农牧场所属的行政职能和居民划归社区管理，所属企业性质的经营销售划归公司管理，社区由原场部所在乡镇管辖。至此新源县辖10镇1乡、19个居民委员会、74个村民委员会。

2026年，新源县辖10镇1乡，分别是新源镇、阿热勒托别镇、塔勒德镇、那拉提镇、肖尔布拉克镇、喀拉布拉镇、阿勒玛勒镇、兴钢镇、坎苏镇、玉丰镇、吐尔根乡。