洞头置县历史短，但开发历史悠久。据九亩丘出土文物考证，早在3000多年前，洞头列岛就有人类活动。
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。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。
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，当年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。当年4月1日，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。
