早在新石器時代，今沛縣地區(qū)已經(jīng)有先民活動。夏商時期，今徐州市區(qū)一帶有方國為大彭，今山東省西南境則有方國名薛，今縣境在當時處在兩方國之間。另有一說，夏代時今境內(nèi)曾有方國名沛，商代此地則有方國名留，但其說尚缺乏充足之依據(jù)。

周代，今境內(nèi)為宋國領地。春秋時期，此地有聚邑名為“留”，大致位于今沛城鎮(zhèn)東南五十里微山湖西岸；至戰(zhàn)國時，境內(nèi)已出現(xiàn)沛邑，即位于今縣沛城鎮(zhèn)附近。

戰(zhàn)國后期，周赧王二十九年(BC286年），齊楚魏聯(lián)合滅宋，沛、留歸齊；三十一年（BC284年）以燕國為首的的五國伐齊，楚國趁齊之危，奪取沛、留二邑。

楚考烈王元年（BC262年），以淮北之地作為春申君黃歇之封域，今縣境歸之；十五年（BC248年）黃歇移封江東，楚置郡于淮北（郡名乏考），沛、留二邑屬其郡。

秦王政二十三年秦國攻取楚國淮北故地，沛、留二邑入秦。秦因之置沛縣（治所在今沛城鎮(zhèn)附近）和留縣（治今沛城鎮(zhèn)東南五十里微山湖西岸）。沛縣、留縣上屬泗水郡（又名泗川郡，又有將“泗”省寫作“四”字者，皆同），沛縣為泗水郡治所。最遲到秦代，其境內(nèi)已形成城邑，名曰豐邑（在今鳳城鎮(zhèn)附近），附屬于沛縣。

秦二世元年（BC209年）七月，陳勝吳廣起義，各地有反秦之志者紛紛響應。九月劉邦在沛縣縣吏蕭何、曹參等人的支持下殺死其縣令，自稱沛公，豐邑歸之。留縣為秦嘉占領。

二世二年十二月（BC208年）陳勝死，同月，豐邑守將雍齒叛劉邦而降附魏王咎。正月，秦嘉立景駒為楚王，使居于留縣。劉邦往從。二月，項梁項羽叔侄自會稽郡率兵渡江北上，四月劉邦與之聯(lián)合并借兵攻打豐邑，取之。同月，項梁項羽叔侄攻殺秦嘉，擊走楚王景駒，留縣歸項梁項羽，劉邦旋即與之聯(lián)合。六月，項氏立故楚國王室后裔熊心為楚懷王，以號令楚地群雄，故沛縣、留縣名義上乃為楚國國土。

秦王子嬰二年十月（BC207年）秦亡，正月（BC206年）項羽虛尊熊心為義帝，二月分封諸侯，自立為西楚霸王，沛縣（含豐邑）、留縣歸屬項羽自領之楚國（都彭城郡彭城縣，今徐州市區(qū)）彭城郡。

漢王五年十二月（BC202年初），項羽楚國滅亡，沛、留入漢；正月，劉邦改封齊王韓信為楚王，都下邳。（今睢寧縣古邳鎮(zhèn)東三里），兩縣屬楚國彭城郡。二月，劉邦稱帝，建立漢朝，史稱“西漢”，兩縣隸之。

漢高帝六年十二月（BC201年初），楚王韓信廢為淮陰侯。正月原楚國分為楚、荊二國，沛縣屬劉交楚國（都彭城郡彭城縣）彭城郡；留則為張良侯國，直屬中央。

西漢高帝十一年十二月（BC196年初），沛縣改為劉濞侯國，直屬中央。

西漢高帝十二年十月（BC196年），劉邦平定淮南王英布謀反返還途中回到家鄉(xiāng)沛縣，改立沛侯劉濞為吳王，沛侯國復為縣，隸屬楚國彭城郡。

高后元年四月（BC187年），沛縣再度被改為侯國，封呂種為沛侯，命其守呂后父母墓呂宣王寢園。

高后七年（BC181年），沛侯呂種改封為不其侯，沛侯國復為縣，屬楚國彭城郡。

文帝前元五年（BC175年），留侯張不疑有罪免爵，留侯國除為縣，亦往屬于楚國彭城郡。

西漢景帝前元三年（BC154年）正月吳楚七國之亂爆發(fā)，三月楚王劉戊自殺，六月復楚國，分原楚國彭城郡南部置沛郡（治在相縣），直屬漢庭，沛縣隸之；封劉禮為楚王，留縣歸之。約同時，即豐邑置豐縣（治約在今鳳城鎮(zhèn)附近）,此即豐縣建置之始。

漢武帝元朔元年十月（BC129年）今境增建廣戚侯國（治今沛縣東二十里），上屬沛郡，劉將為侯。

漢武帝原鼎五年（BC112年），廣戚侯劉始有罪免爵，侯國除為廣戚縣。

宣帝地節(jié)元年（BC69年）十一月，楚王劉延壽有罪自殺，國除為縣

西漢末，楚國和沛郡不再直屬漢庭，改由豫州刺史部管轄。

西漢孺子嬰初始元年十二月（AD9年1月），王莽篡漢，建立新朝改元始建國，廢楚國為楚郡，留縣隨屬。約天風元年（AD14年），沛郡更名吾符郡（治所吾符亭縣，由相縣更名），沛縣隨屬；約同時楚郡更名和樂郡，廣戚縣更名力聚縣，隨屬，沛縣未更名。地皇四年（AD23年）新莽滅亡，不久郡、縣復名。新莽時楚郡（和樂郡）、沛郡（吾符郡）2郡分別由徐州、豫州2州刺史部管轄。

更始三年（AD25年）劉秀稱帝，改元建武，仍以漢為國號，史稱“東漢”。其時楚、沛二郡為劉永割據(jù)政權占領。

光武帝建武二年（AD26年）夏，漢軍大破劉永，留縣隨楚郡，沛縣隨沛郡歸漢。沛郡仍屬豫州刺史部，楚郡仍屬徐州刺史部。

建武二十年（AD44年）六月沛郡改為沛王國，都相。徙中山王劉輔為沛王，沛縣隨屬。

光武帝中元二年（AD57年）六月，沛縣建為侯國，封沛王子劉寶為侯。

漢明帝永平十三年（AD70年）十一月，楚王劉英謀反被廢，楚王國除為楚郡（治彭城縣），留、廣戚2縣隨屬。

章帝章和二年（AD88年）三月，楚郡建為彭城王國（都彭城縣），徙六安王劉恭為王，留、廣戚屬之。

至遲順帝永和五年（AD140年）沛侯國已廢除為縣，依舊屬沛王國。

靈帝朝以后彭城國、沛王國不在直屬中央，而分別由徐州刺史部、豫州刺史部管轄。

漢獻帝延康元年（AD220年）十月，曹丕代漢建魏，改元黃初；同年彭城王國、沛國皆廢為郡。

魏文帝黃初三年（AD222年）彭城郡復為彭城國，封曹據(jù)為王，旋又因曹據(jù)徙封而改回為郡。魏明帝太和六年復封曹據(jù)為彭城王，留、廣戚2縣遂遞屬彭城王國、郡、王國，郡、國始終隸徐州刺史部。

魏明帝太和六年（AD232年）沛郡復為王國，進封甄城王曹林為沛王（初都相縣，后移都沛縣），沛縣屬之不改。景初二年（AD2238年）沛縣成為沛國國都，而廣戚縣則由彭城國來屬。沛郡、沛國均隸豫州刺史部。

魏元帝咸熙二年（AD266年1月），晉武帝司馬炎代魏，建立晉朝；同年，封司馬子文為沛王，封司馬權威彭城王，沛縣遂屬沛王國（還都相縣）。

晉元帝太興元年十二月（AD319年1月）沛縣隨沛國降附漢國石勒軍。此后，沛國廢為沛郡，沛縣隨屬。同年留、廣戚2縣隨彭城國亦降附石勒。然二年（AD139年）即復為晉軍所奪取。

太興二年，即前趙光初二年（AD319年）十一月，石勒自稱趙王，建立后趙，沛縣隨沛郡屬之。

晉成帝咸和元年十二月（趙王石勒八年，，AD327年1月），后趙攻占彭城國。

咸和九年十二月（后趙武帝延熙元年，AD335年1月）彭城國降附東晉，旋為后趙攻克。

晉穆帝永和五年（后趙武帝太寧元年AD349年）晉軍趁后趙內(nèi)亂收復彭城國，沛郡，沛縣、留、廣戚隨屬。

前燕景昭帝元壽二年（晉穆帝升平二年，AD358年）十月，燕軍擊敗晉軍，奪取沛郡、沛縣。

前秦昭宣帝建元六年（前燕幽帝建熙十一年AD370年）十一月，前秦滅前燕，沛縣隨沛郡入秦。

晉孝武帝太和四年（前秦昭宣帝建元十五年，AD379年），廣戚、留縣隨彭城國為前秦攻占。

晉孝武帝太元八年AD383年，前秦攻晉，于淝水之戰(zhàn)大敗；次年AD384年東晉反攻前秦，收復淮北之地，沛縣隨沛郡復為晉朝所有。此后豐縣被廢，境為沛縣地，沛縣隨沛郡遞屬徐州、北徐州。

宋武帝永初元年（AD420年），彭城國改以皇子劉義康為王，留縣隸之不改，沛縣依舊屬于沛郡，而豐縣、廣戚則在此前被省廢。

劉宋時，彭城王國、沛郡遞屬北徐州、徐州。

文帝元嘉二十二年十二月（AD446年1月），劉義康免為庶人，彭城國復除為郡。

宋孝武帝大明元年(AD457年)豐縣復置，脫離沛縣，隸屬徐州北濟陰郡（治離狐縣，今山東境內(nèi)）。

北魏獻文帝皇興元年（宋明帝泰始三年AD467年）魏軍攻占徐州，沛縣隨沛郡。留縣隨沛國郡入魏。

東魏時，沛縣仍屬徐州沛郡，留縣仍屬于徐州彭城郡。

北齊文宣帝天保七年（AD556年），留縣廢，縣境入沛縣，隸徐州沛郡不改。

北周武帝建德六年（AD577年）二月，周軍滅齊，沛縣隨屬周，入周后，沛郡廢，沛縣改隸彭城郡。

隋文帝開皇三年AD583年，廢彭城郡，沛縣直隸徐州（治彭城縣），

開皇十六年（AD596年）復置留縣于今沛城鎮(zhèn)東南五十里微山湖西岸。亦隸屬于徐州。

隋唐之際，沛、留二縣隨彭城郡為王世充（AD619年稱帝，國號鄭）所據(jù)。

唐高祖武德四年(AD621年)，王世充降唐，同年唐改彭城郡為徐州，沛縣隨屬，留縣則被省廢。此后，除玄宗天寶元年到肅宗乾元元年(AD742-758年)間隸屬彭城郡外，沛縣一直上隸于徐州。

徐州（彭城郡）初直屬于中央，安史之亂后，遞屬于河南節(jié)度使，汴州節(jié)度使、河南節(jié)度使、淮西節(jié)度使、兗鄆節(jié)度使、河南節(jié)度使、淄青平盧節(jié)度使、徐海沂密都團練觀察使、淄青平盧節(jié)度使、徐泗濠三州節(jié)度使、武寧軍節(jié)度使。兗海節(jié)度使、徐泗團練觀察使、感化軍節(jié)度使、武寧軍節(jié)度使管轄。

唐亡后，沛縣遞屬后梁、后唐、后晉、后漢、后周，一直上隸徐州，徐州則隸武寧軍節(jié)度使（亦徐州節(jié)度使）

入宋后，沛縣仍隸屬于徐州不改。

北宋時，徐州遞屬京東路、京東東路、京東路、河南道、京東路、京東東路、京東西路等轉(zhuǎn)運使路（道）。

南宋初，高宗建炎三年（金太宗天會七年，AD1129年）沛縣為金兵占領。金天會八年（AD1130年）沛縣交由劉豫偽齊代管；十五年（AD1137年）偽齊廢，沛縣納入金朝統(tǒng)治。

入金后，沛縣依舊隸屬徐州，州遞屬山東西路。

金哀宗天興三年（宋理宗端平元年，AD1234年）南宋、蒙古聯(lián)軍滅金，沛縣為宋得。

蒙古窩闊臺汗七年（宋理宗端平二年，AD1235年），沛縣為蒙古攻取。隸屬滕州并為州治。

蒙哥汗二年（AD1252年），滕州廢，沛縣割隸濟州（治任城，今山東濟寧市），濟州屬東平路。

元世祖至元二年（AD1265年）沛縣省入濟州豐縣（治鳳城鎮(zhèn)附近）。至元三年（AD1265年），復析豐縣地置沛縣于舊所，隸濟州。此前，元世祖已設立中書省，濟寧府隸屬之（中書省直轄區(qū)又稱為“腹里”）。

至元八年（AD1271年），濟州升為濟寧府（時治山東巨野縣），沛縣隸屬之。濟寧府直屬中書省。

至元十二年（AD1275年），濟寧府下復增設濟州（治任城縣）。沛縣隸之。此后濟寧遞屬濟寧府、濟寧路，濟寧路亦直屬中書省。

順帝至正八年，濟州廢，沛縣直屬濟寧路（治任城縣）。

順帝至正十七年（AD1357年）沛縣徙治于今沛城鎮(zhèn)北劉園一帶。

順帝至正二十六年（AD1366年），時從屬于紅巾軍大宋龍鳳政權的朱元璋攻取沛縣。

順帝至正二十七年（AD1367年）朱元璋代宋自立，以吳為號，是年，沛縣劃隸徐州（治今徐州市），州時屬江淮行省。

吳二年（AD1368年），朱元璋建立明朝，入明后，沛縣隸屬徐州。

徐州舊屬歸德府，入明后遞屬河南分省開封府、河南行省開封府、南京臨濠府、南京中立府、南京鳳陽府、京師鳳陽府、京師、南京、京師、南京。

明思宗崇禎十七年（AD1644年）三月明亡，五月南明弘光政權于南京應天府建立，沛縣隨屬。

清世祖順治二年（AD1645年）沛縣入清，仍屬于徐州。

就布政使司轄區(qū)而言，徐州直隸州先后隸屬于江南左右布政使司、江南左布政使司、江南右布政使司、江蘇布政使司；就巡撫區(qū)而言，徐州先后隸屬于鳳陽巡撫、漕運總督兼鳳陽巡撫、江寧巡撫、江蘇巡撫。就總督區(qū)而言，徐州先后隸屬淮揚總督、江南江西河南總督、江南江西總督、江南總督、江南江西總督、江南總督、兩江總督。

清世宗雍正十一年（AD1733年）升徐州直隸州為徐州府，治銅山縣城，今徐州市區(qū)。沛縣隸屬之。

就布政使司轄區(qū)而言，徐州府先后隸屬江蘇布政使司與江寧布政使司；就巡撫區(qū)而言，徐州府先后隸屬于江蘇巡撫、江淮巡撫、江蘇巡撫；就總督區(qū)而言，徐州府一直隸兩江總督。

民國元年（AD1912年）2月中華民國臨時政府之北伐軍進駐徐州，沛縣脫離清廷，同時徐州廢府，沛縣隸屬于江蘇省（時治吳縣，今蘇州市）。

民國二年（AD1913年）一月，北京政府開始推行省、道、縣三級制。7月，江蘇設徐州道（治銅山縣）沛縣隸之。

民國三年（AD1914年）六月，江蘇全省劃定為五道，沛縣隸屬于徐海道（治銅山縣）。

民國十六年（AD1927年）國民革命軍占領沛縣，同年道廢除，豐縣直屬于江蘇?。〞r治江寧縣，今南京市）

民國二十二年（AD1933年）3月，江蘇?。ㄒ岩浦捂?zhèn)江縣，今鎮(zhèn)江市區(qū)）分設十三個行政督察區(qū)，沛縣隸屬第十二行政督察區(qū)（首縣銅山縣，今徐州市區(qū)）。12月，督察區(qū)調(diào)整為9個并改以首縣名稱為區(qū)名。民國二十三年（AD1934年）2月各區(qū)成立專員公署，沛縣屬于銅山區(qū)。

民國二十五年（AD1936年），各督察區(qū)又改回以數(shù)字編號，沛縣隸屬于第九督察區(qū)（銅山區(qū)改）。

民國二十七年（AD1938年）5月，沛縣縣城被日軍占領，縣政府流亡。而沛縣在行政關系上仍隸屬于第九行政督察區(qū)。

民國二十九年（AD1940年），沛縣隨第九行政督察區(qū)劃屬江蘇省徐海行署管轄。

民國三十四年（AD1935年）8月15日，日本投降。9月，徐海行署撤銷，沛縣仍隸屬江蘇省第九行政督察區(qū)，

抗戰(zhàn)勝利后，國民政府實施“全面戡亂”，劃建華中戰(zhàn)場綏靖區(qū)，以各綏靖區(qū)司令官統(tǒng)一指揮該區(qū)黨政軍民，沛縣劃入第三綏靖區(qū)。

民國三十五年（AD1946年）9月，沛縣政府還駐縣城。

民國三十七年（AD1948年）11月10日，中國人民解放軍占領沛縣縣城，國民政府對沛縣的統(tǒng)治宣告結(jié)束。

民國二十七年（AD1938年）5月18日，日軍占領沛縣縣城，旋成立偽政權組織。偽豐縣初歸徐州治安維持會管轄。

民國二十八年（AD1939年）2月，偽徐州治安維持會改組成立偽江蘇省公署徐州辦事處，5月又改為偽蘇北行政專員公署（駐地徐州市），偽沛縣乃改屬偽蘇北行政專員公署。

民國三十一年（1942年）1月，偽蘇北行政專員公署撤銷，改立偽蘇淮特別行政區(qū)公署（駐地徐州市），直隸于偽中華民國政府，偽沛縣乃屬于偽蘇淮特別區(qū)行政專員公署。

民國三十二年（AD1943年）10月，偽蘇淮特別區(qū)公署下設6個特別行政督察區(qū)，偽沛縣屬于第二區(qū)（治碭山縣，今安徽?。?。

民國三十三年（AD1944年）1月，偽蘇淮特別區(qū)公署撤銷，改置偽淮海省（治徐州市），偽沛縣乃屬于該省第二行政督察區(qū)（治碭山縣，今安徽?。?/p>

民國三十四年（AD1945年）3月，豐縣歡口區(qū)劃歸沛縣。

民國三十四年（AD1945年）8月15日，日本宣布無條件投降，19日，日偽軍政人員棄城逃走，偽政權對沛縣的統(tǒng)治宣告結(jié)束。

中共建權時期：

民國三十三年（AD1944年）10月，中共領導的沛縣抗日民主政府于沛縣北部根據(jù)地成立，隸屬于冀魯豫第十一行政區(qū)專署（亦稱湖西專署）。

民國三十五年（AD1946年）9月，國民黨軍隊大舉進攻沛縣、豐縣解放區(qū)，中共沛縣機關北撤到山東境內(nèi)。

民國三十七年（AD1948年）7月，沛縣民主政府在山東省魚臺縣重組。11月沛縣縣城解放，沛縣政府進駐。

民國三是八年（AD1949年2月）沛縣歡口、馮屯劃入豐縣。

民國三十八年（AD1949年）10月沛縣劃歸山東省，屬魯中南區(qū)臺棗專區(qū)。

1950年5月臺棗專區(qū)撤銷，沛縣改屬山東省滕縣專區(qū)。

1953年1月，沛縣劃歸江蘇省，3月起隸屬徐州專區(qū)。

1953年10月，沛縣將王樓、高樓、小閘子、劉樓、官莊、甄王莊、聶莊鋪、東丁官屯、水圩子、東陶官屯、張樓、大孫莊、后程子廟、北丁官屯、小四段等15個村（1965戶8623人）劃入山東省微山縣。

1955年3月銅山縣第三、第四2區(qū)和敬安鎮(zhèn)劃入沛縣。

1970年徐州專區(qū)改稱徐州地區(qū)，沛縣隨屬。

1983年3月，江蘇省推行市管縣新體制，徐州地區(qū)撤銷，沛縣改由徐州市領導，至1999年底不改。

1984年12月沛縣將楊堂、孫莊、東明村、西平村、六營、曹莊、王莊、大挖工莊、趙樓、趙廟、張莊、侶樓、龐孟莊、中挖工莊等14個村劃給山東省微山縣管轄，而該處地下的煤炭資源開采權仍屬江蘇省。