夏、商、周时期，属乌孙。
秦朝时期，为大月氏领地。
西汉初年，为匈奴牧地。
西汉元狩二年（前121年），骠骑将军霍去病入居延收河西，史籍始见“居延”（匈奴语，同今日蒙古语“乞颜”，意为“隐幽”），筑遮虏障，设居延都尉、居延农都尉、河渠司。其时可由张掖河乘船直抵居延海。
西汉太初三年（前102年），置居延都尉府，后又置“张掖居延属国”，治居延县。
东汉建安末年，改立西海郡，曹魏、西晋、前凉、前秦、后凉、西凉承制。
唐朝时期，设安北都护府和宁寇军。
西夏时期，设黑水镇燕军司，但所在地不详。额济纳即西夏语“黑水”之意。
元太祖二十一年（1226年），归属蒙古帝国。
元至元二十三年（1286年），设亦集乃路总管府。
明洪武十七年（1384年），宋晟率兵攻下亦集乃，置亦集乃旧城，后又在肃州与亦集乃湖中间设立了威虏卫、白城子守御千户所、威远守御千户所，连接亦集乃旧城。
清康熙三十七年（1698年），西迁的土尔扈特贵族阿拉布珠尔来中国西藏礼佛，五年后从西藏返回时，因土尔扈特汗国和准噶尔汗国交恶，归路被阻，因此请求内附清朝。康熙皇帝下令将嘉峪关外、阿尔金山以东划为其牧地。
清雍正七年（1729年），阿拉布珠尔之子丹忠因牧地狭窄，请求移居额济纳河流域，翌年获得清廷批准，从此额济纳一带成为土尔扈特人的牧地。
清乾隆十八年（1753年），设置额济纳旧土尔扈特特别旗。
民国元年（1912年），直属国民政府蒙藏委员会，由宁夏护军兼辖。
民国十七年（1928年）11月，隶属宁夏省政府管辖。
民国三十八年（1949年）9月，额济纳旗和平解放，初由甘肃省酒泉专署代管。
1951年2月，归宁夏省直辖。
1954年11月，初由张掖专署代管。同年同年11月30日，改隶酒泉专署。