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相传神农时，伊川县地域即有伊国之称，唐尧时称伊侯国，虞舜时称伊川。夏代，伊川县西南大部地域称豫州伊阙地，周襄王时名伊川，战国时称伊阙，后改新城。汉惠帝四年（前 191 ）置新城县，属三川郡。东魏改新城县为伊川郡。隋开皇初，郡废，改置伊州，又废洛阳郡，析置伊川县。大业初，伊川县并入洛阳县。宋初，置伊阳、伊阙两县。熙宁时，废伊阙县为并入伊阳县。绍兴九年（ 1139 ），改伊阳县为顺州，后改顺州为嵩州。明朝，伊川县南部属嵩县，清沿明制。

伊川县今地域的东部（江左、吕店、半坡、白沙等乡镇），夏时名轮国，春秋时曰轮氏，属郑国。战国时复为轮国，属韩地。东汉章帝时设轮氏县。北魏，改轮氏县为颍阳县，后析颍阳县西部置堙阳县。后堙阳县改武林县。唐开元年间，改武林县为颍阳县。金兴定元年（ 1217 ）颍阳县西部（今伊川县江左、白沙等镇）归洛阳县直到民国初。民国 16 年（ 1927 ），划洛阳县龙门南伊河东的草店、彭婆、水寨、白沙、程庄、窦村、茹店一带，登封县的俞西里（包括江左、魏家寨、半坡、鲁沟、老君堂等地）、吕店里（包括丁流、吕店、温沟、九洼、杨家沟、王村、黄龙庙），伊阳县（今汝阳县）的椿树岭、陶营、内埠、大安、蔡店、蟒庄一带，临汝县（今汝州市）的临汝镇、官庄、鳌头、高水泉、东均天、神沟等地，成立自由县，县政府设在白沙镇；划洛阳县龙门南伊河西的魏湾、槐树街、窑底、府店、窑湾、康庄、鸦岭、常川、柿树洼等地，宜阳县的宋店、坡头、白杨镇等地，嵩县的鸣皋、莘营、马回、古城、葛寨、海角（今酒后）、常峪堡、省源头等地，伊阳县的土门、白元、夹河、谢庄一带成立平等县，县政府设在大莘店（今平等村）。

民国 21 年（ 1932 ），平等、自由两县合并，成立伊川县，县政府设府店镇。伊川县成立后，原临汝县划给自由县部分，仍归临汝县；原伊阳县划给自由县部分，仍归伊阳县；此后不久，为便于对龙门山的管理，又将魏湾划归洛阳县。

民国 29 年（ 1940 ） 2 月，彭婆区的上徐马、下徐马、潘沟、北杨沟、山张几个村亦划归洛阳县。

1945 年 2 月，划伊河以西、洛河以东、龙门山以南、嵩县田湖以北成立伊西县，抗日战争胜利后撤销。原伊川县、宜阳县部分复归两县。 1947 年 8 月，中共豫西三地委决定，以伊河为界，河东原伊川县部分和伊阳县的陶营、蔡店、蟒庄等地为伊川县；伊河西部原伊川县部分与宜阳县的穆册、赵堡、城关、程屋、白杨诸乡成立宜南县，县政府设在白杨镇。 1948 年 1 月 1 日，伊川县人民民主政府在黄兑村正式成立， 6 月县政府迁白沙镇。 1949 年 2 月，撤销宜南县，伊河西原伊川县部分仍归伊川县，原伊阳县的蔡店、蟒庄、陶营和伊川县的妙黍村归伊阳县。 3 月，伊川县人民民主政府迁府店镇。 1953 年 3 月，伊阳县（今汝阳县）的邢岭、石岭划归伊川县。 1956 年 7 月，伊川县张绵乡的康扒村划归伊阳县。 1958 年 7 月，伊川县北茹店村划归伊阳县。 1960 年 3 月，嵩县的黄庄、田湖、阎庄、城关、寺庄 5 个公社和桥头牧场并入伊川县， 1961 年 9 月，复归嵩县。

2008 年 5 月，城关镇郭寨村，彭婆镇东草店村、西草店村划归洛龙区管辖。