夏商时期，境内为西戎地。
西周夷王元年（前885年），周封在渭之间养马有功的赢非子为附庸（按周分封制，领地方圆不足50里，不直接通达天子，依附于诸侯，谓之附庸），在秦建邑，号赢秦（邑在今张家川镇瓦泉村）。
秦昭襄王二十八年（前279年），秦设陇西郡，郡治狄道（今甘肃临洮），张家川县属陇西郡。
西汉时期，沿袭秦制，实行郡县二级制。
汉武帝元鼎三年（前114年），置天水郡，辖16县，其中陇县（治今张家川县城）在县境。
汉武帝元封五年（前106年），置监察性质的刺史部13州，陇县属凉州刺史部天水郡辖。
东汉建武十八年（42年），改王莽所置州牧为刺史，凉州刺史部（当时的刺史部依然是监察区，而州刺史在州内有固定治所，不再赴京奏事）驻陇县（今张家川县城）。
东汉永平十七年（74年），天水郡改称汉阳郡，辖13县，撤清水、戎邑道并入陇县。
东汉中平五年（188年），凉州刺史部由陇县迁冀县（今甘谷）。
三国时期，魏实行州、郡、县三级制，魏复置清水县，撤陇县并入清水县，属广魏郡。之后张家川再未置县，今县境大部属清水县、秦安县辖。
金天会八年（1130年），今张家川县分属秦州之冶坊（治清水县黄门乡）、陇城（治今秦安县陇城乡）两县。
元至元七年（1270年），撤陇城县并入秦安县，撤冶坊并入清水县。张家川县分属秦州之清水、秦安两县辖。
明清时期，今张家川大部仍属秦州之清水县、秦安县辖。
民国二年（1913年）3月，推行省、县两级制，暂存道制。张家川县大部分仍属甘肃省陇南道之清水、秦安两县辖。
民国二十四年（1935年），甘肃省设立行政督察区，张家川县大部属省第四行政督察区之清水、秦安县辖。