相傳神農時,伊川縣地域即有一國之稱,唐堯時稱伊侯國,虞舜時稱伊川。伊川縣地域的西南大部(今城關、鴉嶺、常川、高山、平等、鳴皋、酒后、葛寨、白元、水寨、彭婆等鄉鎮),夏代稱豫州伊闕地,周襄王時名伊川,戰國時稱伊闕,后改新城。漢惠帝四年(前191年)置新城縣,屬三川郡,后三川郡改為河南郡。晉,河南郡改河南尹,領陸渾、新城二縣。東魏改新城縣為伊川郡。隋開皇初,郡廢,改置伊州,又廢洛陽郡,析置伊川縣。大業初,伊川縣并入洛陽縣。宋初,置伊陽、伊闕兩縣,屬河南府。熙寧時,廢伊闕縣為鎮,并入伊陽縣。紹興九年(1139年),改伊陽縣為順州,后改順州為嵩州。明朝,伊川縣南部屬嵩縣,清沿明制。伊川縣地域的東部(今江左、呂店、半坡、白沙等鄉),夏時名輪國,春秋時曰輪氏,屬鄭國。戰國時復為輪國,屬韓地。東漢章帝時設輪氏縣。北魏,改輪氏縣為潁陽縣,后析潁陽縣西部置堙陽縣。后堙陽縣改武林縣,又改輪氏縣,大業初并入嵩陽縣。唐睿宗時,分登封、伊闕、河南三縣各一部建武林縣。開元年間,改武林縣為潁陽縣。元興定元年(1218年)潁陽縣西部(今江左、白沙等鄉)歸洛陽縣,直至民國初。民國16年(1927年),析洛陽、登封、伊陽(今汝陽)、臨汝(今汝州市)等縣各一部,置自由縣;析洛陽、嵩縣、伊陽、宜陽等縣各一部,置平等縣。民國21年(1932年),平等、自由兩縣合并,成立伊川縣。伊川縣成立后,原臨汝縣劃給自由縣部分,仍歸臨汝縣。原伊陽縣劃給自由縣部分,仍歸伊陽縣。為便于對龍門山的管理,又將魏灣劃歸洛陽縣。1945年2月,劃伊河以西,龍門山以南,嵩縣田湖以北的伊川地區及宜陽縣的石、南留、白楊等地,成立伊西縣。抗日戰爭勝利后撤銷。1947年8月,析伊川縣伊河西部與宜陽縣之穆冊、趙堡、城關、程屋、白楊諸鄉成立宜南縣;又劃伊陽縣之陶營、蔡店、蟒莊一帶歸伊川縣。
1949年2月,撤銷宜南縣,原屬伊川縣之鴉嶺、平等、鳴皋諸區復歸伊川,蔡店、蟒莊一帶仍屬伊陽。伊川、伊陽兩縣各恢復原轄區,均屬洛陽專區。1960年3月,嵩縣的田湖、閻莊、黃莊、寺莊、城關5個人民公社及橋頭牧場劃歸伊川縣。1961年9月,原嵩縣的5個公社及橋頭牧場復歸嵩縣。1986年2月,洛陽地區撤銷后,伊川縣歸洛陽市管轄。