相傳神農時，伊川縣地域即有伊國之稱，唐堯時稱伊侯國，虞舜時稱伊川。夏代，伊川縣西南大部地域稱豫州伊闕地，周襄王時名伊川，戰(zhàn)國時稱伊闕，后改新城。漢惠帝四年（前191）置新城縣，屬三川郡。東魏改新城縣為伊川郡。隋開皇初，郡廢，改置伊州，又廢洛陽郡，析置伊川縣。大業(yè)初，伊川縣并入洛陽縣。宋初，置伊陽、伊闕兩縣。熙寧時，廢伊闕縣為并入伊陽縣。紹興九年（1139），改伊陽縣為順州，后改順州為嵩州。明朝，伊川縣南部屬嵩縣，清沿明制。

伊川縣今地域的東部（江左、呂店、半坡、白沙等鄉(xiāng)鎮(zhèn)），夏時名輪國，春秋時曰輪氏，屬鄭國。戰(zhàn)國時復為輪國，屬韓地。東漢章帝時設輪氏縣。北魏，改輪氏縣為潁陽縣，后析潁陽縣西部置堙陽縣。后堙陽縣改武林縣。唐開元年間，改武林縣為潁陽縣。金興定元年（1217）潁陽縣西部（今伊川縣江左、白沙等鎮(zhèn)）歸洛陽縣直到民國初。民國16年（1927），劃洛陽縣龍門南伊河東的草店、彭婆、水寨、白沙、程莊、竇村、茹店一帶，登封縣的俞西里（包括江左、魏家寨、半坡、魯溝、老君堂等地）、呂店里（包括丁流、呂店、溫溝、九洼、楊家溝、王村、黃龍廟），伊陽縣（今汝陽縣）的椿樹嶺、陶營、內埠、大安、蔡店、蟒莊一帶，臨汝縣（今汝州市）的臨汝鎮(zhèn)、官莊、鰲頭、高水泉、東均天、神溝等地，成立自由縣，縣政府設在白沙鎮(zhèn)；劃洛陽縣龍門南伊河西的魏灣、槐樹街、窯底、府店、窯灣、康莊、鴉嶺、常川、柿樹洼等地，宜陽縣的宋店、坡頭、白楊鎮(zhèn)等地，嵩縣的鳴皋、莘營、馬回、古城、葛寨、海角（今酒后）、常峪堡、省源頭等地，伊陽縣的土門、白元、夾河、謝莊一帶成立平等縣，縣政府設在大莘店（今平等村）。

民國21年（1932），平等、自由兩縣合并，成立伊川縣，縣政府設府店鎮(zhèn)。伊川縣成立后，原臨汝縣劃給自由縣部分，仍歸臨汝縣；原伊陽縣劃給自由縣部分，仍歸伊陽縣；此后不久，為便于對龍門山的管理，又將魏灣劃歸洛陽縣。

民國29年（1940）2月，彭婆區(qū)的上徐馬、下徐馬、潘溝、北楊溝、山張幾個村亦劃歸洛陽縣。

1945年2月，劃伊河以西、洛河以東、龍門山以南、嵩縣田湖以北成立伊西縣，抗日戰(zhàn)爭勝利后撤銷。原伊川縣、宜陽縣部分復歸兩縣。1947年8月，中共豫西三地委決定，以伊河為界，河東原伊川縣部分和伊陽縣的陶營、蔡店、蟒莊等地為伊川縣；伊河西部原伊川縣部分與宜陽縣的穆冊、趙堡、城關、程屋、白楊諸鄉(xiāng)成立宜南縣，縣政府設在白楊鎮(zhèn)。1948年1月1日，伊川縣人民民主政府在黃兌村正式成立，6月縣政府遷白沙鎮(zhèn)。1949年2月，撤銷宜南縣，伊河西原伊川縣部分仍歸伊川縣，原伊陽縣的蔡店、蟒莊、陶營和伊川縣的妙黍村歸伊陽縣。3月，伊川縣人民民主政府遷府店鎮(zhèn)。1953年3月，伊陽縣（今汝陽縣）的邢嶺、石嶺劃歸伊川縣。1956年7月，伊川縣張綿鄉(xiāng)的康扒村劃歸伊陽縣。1958年7月，伊川縣北茹店村劃歸伊陽縣。1960年3月，嵩縣的黃莊、田湖、閻莊、城關、寺莊5個公社和橋頭牧場并入伊川縣，1961年9月，復歸嵩縣。

2008年5月，城關鎮(zhèn)郭寨村，彭婆鎮(zhèn)東草店村、西草店村劃歸洛龍區(qū)管轄。

2022年7月，河濱街道馬營社區(qū)、槐樹街社區(qū) ，彭婆鎮(zhèn)槐莊村劃歸洛龍區(qū)管轄。